一文读懂 CAD 工作模块及发展现状

2019-05-27 10:48:25 来源: 半导体行业观察
标签:
CAD   芯片

 

CAD的定义和框架

百度百科定义的CAD (Computer Aided Design):计算机辅助设计,指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。

 

此定义比较适合各种工程设计领域,到了芯片设计领域,以上定义已经无法涵盖CAD的功能和职责了。

 

在每个芯片设计企业里,对CAD的理解都会有所不同,但是总结其共同点,我认为以下的描述会更加准确和通用:

 

芯片设计领域中的CAD是一种支持和辅助芯片设计人员进行安全高效设计工作的活动集合,这里的CAD活动具体是指最大化利用IT资源、设计工具、IP和工艺库等帮助设计人员进行设计工作。

 

因此,CAD和IT架构以及芯片设计密不可分,他们之间的关系用下图表示会比较直观:

 


其中IT资源包括了芯片设计企业为了芯片设计工作搭建的IT架构中所有硬件及系统资源,比如网络,各种应用服务器,存储,高性能计算服务器(HPC),Unix/Linux系统,作业调用系统等。

 

而设计工具除了我们常用的三大厂商提供的EDA工具以外,还包括了其他各种EDA工具、文件版本管理工具以及各种设计流程中定制设计包。

 

我们可以把CAD的工作分为以下六个模块(下图红框内),CAD通过这六个模块的工作达到其目标。

 


设计数据管理

设计数据是整个设计任务的载体,往往存在于IT架构的存储里。设计数据包括设计过程中涉及到的所有信息数据,比如:项目数据,IP,EDA工具,工艺库等等。作为一种标准的信息数据,它遵从信息数据的生命周期规律。因此对设计数据进行准确的分析和标准管理就是此模块的主要任务。

 

许可证管理

在整个设计过程中,EDA工具的许可证费用往往会占据整个设计成本的绝大部分,因此如何利用EDA工具厂商提供的各种许可证销售策略、工具使用监控、动态资源管理及分配策略以及并行运行的多个项目周期曲线的叠加,尽可能采购合适数量的许可证和优化部署/管理工具许可证,从而使得工具利用率最大化以达到节约设计成本的目的。

 

计算平台管理

随着设计工作的细分,不同的设计作业会同时在IT计算平台运行,从而造成对计算资源的争夺。计算平台管理的主要任务是管理计算资源和合理分配设计作业使得最大化利用计算平台。一般现在采取动态资源管理工具来实现这个任务,市场上比较常用的是IBM的LSF,Oracle/开源的SGE。需要注意的是,在使用此类工具时,其中定义的队列和控制参数应该会随着项目的推进和资源使用状况进行微调,从而达到最优使用目的。

 

工具管理

半导体行业最上游的EDA供应商所提供的EDA工具直接影响了设计工艺和设计自动化的可实现性,是整个芯片设计生态环境最为重要的一环。因此工具管理对于芯片设计来说,也是至关重要的,工具管理主要涉及到工具安装,配置,版本管理以及使用等方面。在CAD服务框架中,CAD还需要帮助设计工程师正确使用工具并对使用过程中出现的错误进行分析甄别,确保工具使用最优化。往往工具管理模块和设计数据以及使用证管理模块密不可分。

 

设计流程管理

在设计项目立项之初,芯片设计企业会根据设计工艺去选择Foundry或者是EDA供应商提供设计流程。但是这种设计流程是针对市场上大多数用户制定的,因此留下了相当的冗余。CAD应该根据企业自身芯片设计的要求对设计流程进行优化从缩短设计周期以提高生产力。这种优化包括了对原设计流程各节点有效性的验证,节点工具的选取,设计包的定制以及整个设计流程有效性的保证。

 

设计环境管理

对于每个设计工程师来说,以上5个模块都是透明的,是整个设计项目统一管理部分,设计工程师能直接感受到的就是设计环境。对于设计工程师来说,好的设计环境是指所有的设计资源都能方便得到和使用,比如:工具,IP,设计包以及计算平台等,这也是设计环境管理的目标之一。

 

对于设计项目小组来说,使用验证过的设计流程以及项目组保持统一设计环境避免环境不一致造成设计错误也是非常重要的,这也是设计环境管理的目标。

 

CAD的发展和国内现状(差距)

芯片设计在发展最初,电路比较简单,对计算能力的要求也不高,往往一个芯片的设计工作可以有一个或者几个工程师在单台工作站上完成。

 

但随着工艺越来越先进,电路也变得越来越复杂。尤其是数字电路的快速发展(摩尔定律:集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一倍),使得芯片设计工作不仅对IT架构提出了更高的要求,也促使各EDA工具厂商推出更多更强的设计工具,并且产生了设计流程的概念。

 

现在一个复杂的芯片设计项目中,设计团队少则几十人,多则几百人。在整个设计项目中,一个设计工程师只能充当其中的一个或者几个角色,其承担的设计工作也只是整个设计流程中的一个节点,每个工程师只知道自己所做的设计节点的设计任务和目标,芯片设计工作前所未有的进行了细分,绝大部分的设计工程师对整个设计流程没有清楚的概念,于是掌握整个设计流程的CAD应运而生。

 

如上所说,当芯片设计工作进行了细分,设计团队规模变大,使得很多设计任务会在芯片设计企业的IT资源上同时运行EDA工具,从而造成了IT资源和设计工具的不足。因此如何让整个设计团队最大化地利用IT资源和设计工具顺利的跑完整个设计流程就成为了芯片设计企业最大的问题,这个也是CAD的职责和目标。

 

欧美公司在20多年前就已经意识到了这个问题,从而诞生了CAD职能部门。现在所有的知名国外半导体公司都设有专门的CAD部门,例如:Intel,NXP,ST,AMD等。作为公司设计部门最强有力的支持者,CAD部门一般承担了以下职能:设计流程和环境的标准化制定和管理,计算平台的标准化制定和管理,设计工具管理和许可证采购/使用策略制定,设计数据管理策略制定。

 

因此,在国外半导体公司中,CAD在公司的设计方向和实现上都起着举足轻重的作用,公司会投入大量的财力和人力去建设CAD部门,使得CAD部门能提供最优的设计流程和资源配置,从而缩短设计项目的周期,帮助产品部门赢得市场。

 

相比国外半导体公司20多年CAD的历史,国内大部分芯片设计企业在CAD上还有非常大的差距,此部分在上篇“国内半导体差距之IT/CAD篇”的“CAD管理体系的差距”中有详细描述,差距主要表现在以下3个方面:

 


1.技术差距

从整个半导体的发展历史来看,芯片设计的先进技术一直由国外半导体企业掌握,中国在半导体行业还处于跟随阶段,和国际先进的技术还有一定的差距,主要差距是:

 

芯片设计技术

芯片设计是一个非常复杂的过程,其主要的工作就是设计流程和流程中各个节点的实现,也就是大家所说的设计方法和设计工具。设计技术不仅和设计工艺有关,还和芯片本身应用有关。目前推动和掌握先进的芯片设计技术都是EDA供应商(尤其是3大DEA供应商)以及国外的foundry。

 

因此,国内的EDA供应商也应该紧跟半导体技术发展,开创并研发出适合新的应用芯片的设计工具及流程。

 

芯片设计工艺

芯片设计工艺的差距主要表现在工艺制程和半导体材料2个方面。

 

在TSMC大步挺进3nm的时候,作为国内最大的Foundry,SMIC还在7nm的工艺研发上辛勤地耕耘,其差距显而易见。但是随着国内半导体政策的扶持以及芯片设计公司的快速成长,相信这种差距会快速缩小。

 

随着市场对高温、高频芯片需求的不断增长,国外半导体企业也加大了对以SiC,GaN,ZnO为代表的第三代半导体材料的研发。三星、意法半导体、英飞凌等公司在新材料上投入大量资金以求扩大在半导体照明、功率器件、微波器件以及激光和探测器等应用领域的市场占有率。

 

国内在第三代半导体材料上起步比较晚,相对来说技术水平比较低,但是我们也欣喜地看到在国内半导体同仁的共同努力下,我们在这方面正在缩小差距,2017年底珠海的8英寸硅基GaN产线开通,表明我国半导体生产行业在第三代半导体材料的竞争中正在努力赶超国外先进企业。

 

CAD理论体系

由于历史原因,国内的芯片设计企业对CAD的认识并不统一,很容易将CAD的职责和目标搞混淆,更别说有统一的CAD理论体系了。这个体系的缺失对国内芯片设计行业发展来说是个巨大的阻碍。设想一下:当赛场上的赛车手(芯片设计部门)和跑道(IT架构和服务)都在努力赶超对手的同时,如果轮胎(CAD服务)没有跟上的话,我们离赶超的目标将会越来越远。

 

在这里,希望通过此文的CAD定义和框架以及CAD管理咨询方法论的论述弥补这块空缺,为国内CAD理论体系的建立打出第一枪。

 

由于CAD服务本身的复杂性,CAD理论体系需要大量的有志同行一起来建立,使得理论体系更加通用和有操作性。

 

正视这种技术差距,通过技术引进和理论研究,差距应该会很快缩小。

 

2.人才差距

专业CAD人员缺失

和国外半导体公司相比较而言,在国内企业中,除了屈指可数的几家大型半导体公司,例如海思,有专门的CAD部门以外,CAD职能基本上都由设计人员或IT兼任。这种现象导致在设计过程中,由于兼职的CAD人员知识的局限性和管理体系的缺失,使得设计流程或设计环境都是临时制定而成,缺乏统一性和规范性,丧失了标准设计流程的高复用性,最终导致IT资源,设计工具以及大量的人力资源的浪费,增加了设计项目的周期和产品上市时间的不确定性。

 

鉴于这种情况,建议芯片设计公司能够设立专门的CAD部门或者引进具有CAD服务资质的外部资源将CAD服务框架完整地在设计过程中呈现,从而提高设计效率。

 
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