讲座｜电子设计自动化EDA软件的行业解析讲座成功举办

（巴黎时间）4月24日下午，由中国旅法工程师协会主办，华中科技大学法国校友会协办的《电子设计自动化EDA软件的行业解析》讲座通过线上形式成功举行，华中科大资深旅法校友、法国索邦大学任卓翔教授为大家带来了精彩的演讲。

当下火热的半导体集成电路芯片不仅是电子设备的核心器件，也是构成工业信息化与产业数字化的根基，甚至关乎整个国民经济的发展命脉。其中，电子设计自动化（EDA）软件则是支撑半导体芯片设计与制造不可或缺的基石。

为了能够更全面地了解EDA软件的产业实质与发展动态，我们特别邀请到了法国索邦大学任卓翔教授作为本次讲座的主讲嘉宾。任教授结合他本人在EDA行业中工作多年的经验和履历，就EDA行业发展这一主题做出了生动和具体的解析。最后任教授就EDA人才培养，市场规模，和企业发展等相关话题与大家展开互动交流并回答了听众们关心的问题。

主讲嘉宾简介

任卓翔教授：法国索邦大学教授，巴黎电子与电气工程实验室副主任，中国科学院电工研究所特聘研究员。他1985年获法国图卢兹综合理工学院博士学位，之后职教法国卡尚高等师范学校，并任职法国科学研究中心巴黎电气工程实验室研究员。期间曾赴美工作交流，任职于Ansoft、Cadence及Mentor-Graphics等CAE、EDA软件公司。他长期致力于电磁场理论、多物理场数值算法、电子器件设计、电子系统建模仿真等研究课题，并同时聚焦电气工程CAE软件开发。任教授曾获得1996年度法国国家科学研究中心铜质奖章。曾先后担任计算电磁学领域国际会议NUMELEC 2017（巴黎）大会主席、IEEE CEFC 2018（杭州）编辑委员会主席、COMPUMAG 2019（巴黎）大会主席。2001年至今，他担任国际计算电磁学会理事会理事。任卓翔教授是华中科技大学留法资深校友。

讲座内容

1. 电子工业革命与集成电路发展史

1820年安培定律揭示了传导电流产生磁场。1831年法拉第定律揭示了变化的磁场产生电场。基于这两个原理，人类发明了电机实现了机械能到电能的转换，开启了第二次工业革命，人类进入了电气时代。1861年麦克斯韦在安培定律里面引进了位移电流的概念，揭示了磁场不仅由传导电流产生，而且变化的电场也会产生磁场，这和法拉第定律形成了对称的关系。麦克斯韦把两个方程组织在一块的时候得到了一个波动方程，于是他预言了电磁波的存在，而且指出光就是电磁波的一种形式。1887年赫兹在实验室证实了电磁波的存在。基于电磁波的理论，人类发明了无线电。在1901年第一次实现了跨大西洋的无线电电报的传输，开启了以信息技术为特征的第三次工业革命，也就是电子工业革命。

任教授以一百年内电子工业革命大事件的时间节点作为时间轴，并重点勾勒出了其间一些重要的里程碑事件以及相对应的电子元件的发明。比如，1904年发明真空电子管，1906年发明真空三极管，1920年实现无线电广播，1935年发明雷达等等。其实，电子行业的快速发展主要归功于计算机的发展， 且两者相辅相成，互相推动。

总结起来电子工业和信息技术经历了四个主要发展阶段：第一个阶段由冷战时期的国防需求推动；第二个阶段由工业自动化需求推动；第三个阶段由个人生活水平需求推动；第四阶段由社会发展需求推动。随着各个阶段的发展，电子元件也由真空电子管演化到半导体晶体管，再到集成电路。其中MOSFET场效应晶体管的发明大大简化了晶体管结构和集成电路制造工艺，加快了大规模集成电路发展的进程。

 

1960年代底末摩尔预期单位面积上的晶体管的数目每两年增长一倍。50多年来，集成电路制造工艺一直按照这个规律发展，其集成度增长了百万多倍。

 

2. 设计，计算机辅助设计，工业软件与EDA

集成电路的流程分为设计和制造两大部分。EDA工具是为了帮助设计商实现用于制造的掩膜。

 

1970年代之前计算机没有完全发展起来，设计是通过手工来进行。从概念到产品，第一步要制定规格（specifications），第二步用纸和笔做设计，第三步用计算尺来做验证，因为计算尺能力有限验证能力也是有限的，大部分的验证需要实体样机（prototype）来进行，通过设计和验证循环，最后符合要求的设计被送去生产。整个流程非常消耗时间和金钱。

从1970年代开始，随着计算机的发展出现计算机辅助设计（Computer Aided Design）来代替纸和笔，计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）来代替计算尺。减少了实体样机验证环节，加速了设计流程。在制造的部分也出现了计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助测试（CAT）。人类进入到了工业软件时期。

EDA就是把工业软件（CAD，CAE，CAM，CAT等）应用到半导体集成电路领域。因为制造相当昂贵，不可能通过实体样机验证，集成电路芯片设计要求一次成功。EDA的关键是要确保设计掩膜送到制造商制造出的芯片能够直接使用。EDA需要支持下一代的制造工艺。因为集成度越来越高，复杂度越来越高。EDA和设计与制造是三角鼎立的关系。新的设计需求需要反馈给EDA公司。新的制造工艺模型也需要返回给EDA公司。EDA公司拿着新的设计需求和新的制造工艺来做下一代的软件。新的制造工艺模型也需要返回给设计商。设计商的设计掩膜给制造商进行制造。如果一家公司同时提供设计和制造服务称为IDM，如果一家公司只提供设计称为Fabless，如果一家公司只提供制造称为Foundry。

 

3. EDA发展状况，集成电路设计与验证的主要步骤，IP复用

任教授以六十年的时间轴展示了EDA的发展状况。第一行反映晶体管的数目呈指数增长。第二行反映工艺节点呈指数下降。EDA工具从CAD工具开始，来画出制造所需的掩膜（Geometry pattern）。然后出现自动布局和布线工具，来优化放置晶体管，门电路和它们之间的连接。在1960年代和1970年代，第一款电路仿真软件（spice）和晶体管建模软件（TCAD）出现。1980年代，晶体管的数目到了十万的数量级，如果还是从晶体管，门电路开始设计已经不可能。为了把电路抽象化，硬件描述语言HDL的诞生，这标志着EDA时代的到来。HDL把电路描述成了模块和模块之间的数据流，接着使用逻辑综合工具把HDL自动换成晶体管，门电路和互连线。1990年代，开始出现IP核概念。基本的逻辑电路不需要每次重复设计，而是调用设计好的库（IP核）。随着制造工艺到亚微米级，芯片设计需要关心电源的完整性和信号完整性。每个晶体管都需要电压才能运作，电源完整性要求软件辅助设计来考虑电压降，漏电流，发热。互连线之间的信号会产生串扰，而导致逻辑电路误操作，信号完整性要求软件来考虑这些问题。本世纪初，芯片制造工艺小于100nm，远小于光的波长，光波干涉导致用设计掩膜直接光刻的图案变形。所以需要EDA软件对设计的掩膜进行光学修正。随着工艺节点进一步变小，随机的工艺误差越来越多，为了改进制造良品率，需要EDA软件进行统计学分析。2010年代，芯片晶体管越来越小，平面工艺达到极限，出现三维立体晶体管，也需要EDA软件进行建模和仿真。同时在芯片封装领域领域，出现把多个芯片叠加起来，来提高集成度，需要软件支持芯片和封装的协同设计。随着计算规模越来越大，所需时间越来越多，EDA软件需要硬件加速以及云计算。

接着任教授介绍了数字电路的设计顶层到底层的模式。首先是前端的系统级的设计，把芯片分成模块，用硬件描述语言HDL描述模块和模块之间的数据流，接着把HDL文件进行逻辑综合形成电路网表，如何进行后端的物理设计即布局和布线（需要考虑制造工艺）和物理验证，最后做流片。其中在设计中嵌入有代表性的电路进行验证用来节省验证难度与时间即DFT（design for testing）。整个设计流程中每一步都需要不断的验证来保证正确性，设计一代芯片大概需要4年时间，70%的时间都用来做验证。

 

IP核是指实现某一个功能的已经通过设计验证的集成电路，用户可以在设计中直接重复使用IP核以节省设计和验证时间。软核（soft IP）是指完成了系统设计和验证的用hdl描述的集成电路。固核（firmware IP）是指完成了逻辑综合和验证的网格描述的集成电路。硬核（hard）是指完成物理设计和验证的掩膜描述的集成电路。

4. 商业模式和市场

最初的EDA商业模式是软件和硬件绑定在一块销售。现代EDA单独卖软件的商业模式由cadence引进。EDA软件和制造商绑定，经过制造商认证的软件卖给设计商，保证设计商设计的产品能被制造出来。另一个商业模式是由synopsys引进，也就是IP核的销售。

 

电子行业大概是15000亿美元的市场。电子行业要拿出三分之一的资金来买芯片（4500亿的芯片市场）。芯片市场中三分之二是IDM公司，三分之一是Fabless公司。Foundry市场大概是800亿美元。EDA市场大概是100亿美元。IP核的营业额占总EDA的市场的三分之一。EDA市场被三大巨头垄断，synopsys,cadence, siemens占据90%。2002年以来，没有任何一家EDA公司上市。期间创业公司的出路是被三大巨头收购。EDA公司收入50%以上用于支出员工工资。

 

EDA行业是知识密集型产业，底层要做很多数学，物理和计算机科学的基础研究，需要国家，大学，半导体公司共同出资进行基础研究。

5. 国产EDA和集成电路

2020年中国的芯片市场是9000亿人民币，占全球市场的30%。中国的EDA市场是66亿人民币却仅占世界市场10%。尽管决策高层认识到了EDA软件的重要性，但在中国中下决策层还有惯性思维，对软件的作用不够重视。另外，中国EDA起步晚，竞争力还不够，特别是对应高集成芯片的高档EDA软件。讲座也分析提出了制约中国EDA市场发展的几个可能因素：芯片进口，大量低端芯片设计，还可能有软件盗版现象。

 

国产EDA公司出现百家争鸣的情况。但没有任何一家公司能够做全整个EDA产业。

 

中国EDA市场80-90%由国外跨国公司占据。国产EDA的销售额只有9亿人民币，全球占比1.4%。国产EDA从业人员大约2000人，全球占比6%。根据公开数据推理，似乎国产EDA人均销售额低于其人均员工工资。国产EDA目前还处于前期发展阶段，依赖国家以及社会的投资来维持企业运行，还有很长的路要走。

6. 任教授为国产EDA发展提出了以下几点建议：

1). 投资基础教育，解决人才短缺问题。

2). EDA产品要做全，形成生态闭环，

3). 需要建立资本和市场生态链，靠市场生存而不是依赖国家投资。

4). 实现EDA公司整合。

5). 改善IP（知识产权）环境，打击盗版。

6). EDA软件需要和制造工艺绑定。

最后任教授提到了他和中科院电工研究所合作开发的一套CAE软件应用于电气和电磁行业的应用，基于电磁，电磁场和多物理场的耦合，分析和仿真的工具。平台流程第一个版本已经发布，可以做几何建模，网格分析，多物理场的分析等，欢迎感兴趣的朋友联系。

本次讲座收到一百多位来自中国、法国及欧洲其他国家的留学人员和专业人士的报名，中国旅法工程师协会、华中科技大学法国校友会真诚感谢任卓翔教授抽出宝贵时间给大家作的精彩而全面的讲座，以及对参会者提出的问题的详细解答；感谢世界各地关注和参与本次讲座的参会人员；感谢协会全体工作人员为此次活动精心的准备和策划。

  

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