IC設計｜一文淺談EDA電子設計自動化

上一篇有談到IC設計產業的分工以及服務，今天就來談談另一個在IC設計產業中扮演關鍵角色的-EDA(Electronic Design Automation)電子設計自動化。

EDA是什麼？

EDA(電子設計自動化，Electronic Design Automation)是指利用電腦軟體工具協助工程師將晶片設計自動化，藉此提高設計效率以及降低錯誤率並縮短設計時間。

而EDA軟體涵蓋了晶片設計的所具備的自動化流程，包含邏輯設計、電路系統設計、系統模擬、性能分析、設計印刷電路板的線路佈局圖。

EDA對於IC設計的重要性

隨著半導體技術的進步，晶片設計的複雜性持續增加，包含數百億個晶體管的高密度晶片變得越來越普遍，手動設計這樣高複雜性的晶片幾乎是不可能的，然而，EDA是透過自動化設計佈局、驗證和測試流程，幫助工程師應對這種設計挑戰。

大致上，IC設計的流程可以分為前段設計（Front-end Design）與後段設計（Back-end Design）。

前段設計(Front-end Design)：主要負責定義IC的功能和邏輯實現，從高階的系統規劃到具體的電路描述，其步驟如下：

• 規格定義（Specification Definition）

• 系統級設計（System-Level Design）

• 高階描述語言（HDL）設計

• 功能驗證（Functional Verification）

• 合成（Synthesis）

後段設計(Back-end Design)：後段設計主要針對物理實現，將前段設計的邏輯描述轉換為實際可製造的晶片，主要步驟如下：

• 佈局規劃（Floorplanning）

• 電路佈局與布線（Placement & Routing, P&R）

• 實體驗證（Physical Verification）

• 時序分析（Timing Analysis）

• 信號完整性分析（Signal Integrity Analysis）

• 功耗分析（Power Analysis）

• 製造前測試（Design for Test, DFT）

在前段設計的階段，EDA是透過自動化與優化，幫助工程師高效進行硬體描述語言編寫、模擬驗證、設計綜合等工作，確保設計邏輯的正確性和時序的精確性，同時，這些工具能幫助工程師發現潛在錯誤、進行性能優化，縮短設計周期，減少手動操作，並大幅提升設計的可靠性與效率。

而後段設計則是將前段設計轉換為實際的物理佈局，EDA透過自動化佈局規劃、佈線、時序分析和實體驗證，幫助工程師有效處理複雜的物理設計工作，確保晶片符合製程規則並達到性能要求。這些工具協助工程師優化電路佈局、減少訊號干擾與功耗，並確保設計在製造過程中能夠順利實現，進一步提高設計效率並降低製造錯誤風險。

(圖片來源：SIA)

EDA的市場規模有多大？

根據研調機構Fact.MR顯示，預計2024年全球EDA電子設計自動化軟體市場規模將達到 120 億美元，預期到2034年市場規模將攀升至271.5億美元，2024-2034年間年複合成長率(CAGR)高達 8.5%。

EDA主要大廠有哪些？

EDA市場為為寡占市場，主要由這三間國際大廠所主導，分別為Synopsis新思科技(SNPS)、Cadence益華電腦(CDNS)、以及被西門子集團併購的明導國際(Mentor Graphics，更名為Siemens EDA)，這三家大廠在全球市占率加總超過75%。

(資料來源:優分析產業數據庫)

台積電子設計自動化聯盟

台積電(2330-TW)為晶圓代工領域長期領先全球，也讓三星以及Intel難以撼動它的地位，其中一個原因是它成功建立了台積大同盟(TSMC Grand Alliance)這個強大的生態系統，而這個大同盟中的核心架構是台積開放創新平台(TSMC Open Innovation Platform, OIP)，而OIP內包含多個聯盟體系，其中之一個就是台積電子設計自動化聯盟(TSMC EDA Alliance)。

台積電子設計自動化聯盟是台積電開放創新平台(OIP)的重要組成部分，可降低客戶採用台積電流程技術的設計障礙，是透過結合台積電和EDA聯盟成員的研發能力和資源，新一代的EDA解決方案能夠符合台積電的技術要求，這有助於客戶在更短的時間內更好地實現其購電協議目標。

而目前的聯盟成員如下：

• Altair Engineering：提供CAE（計算機輔助工程）和EDA工具，著重於仿真、數據分析和優化技術。

• Ansys：專注於多物理模擬，尤其在電磁場和熱模擬領域，為IC設計的性能預測提供支持。

• AnaGlobe：提供EDA工具，專注於數位和類比混合IC設計。

• Arteris：提供片上網絡（NoC）技術，優化系統級晶片（SoC）設計的數據傳輸效率。

• Cadence Design Systems：全球領先的EDA工具供應商之一，提供全面的IC設計、驗證和綜合解決方案。

• Empyrean：中國本土EDA公司，提供數位和類比設計的自動化解決方案。

• iROC Technologies：專注於晶片的可靠性和輻射效應模擬，提升設計的穩定性。

• Jedat：提供專業的類比IC設計工具，針對佈局與布線進行優化。

• Keysight Technologies：領先的測試與測量公司，提供RF和毫米波設計工具。

• Lorentz Solution：專注於高頻和電磁模擬，為射頻（RF）和微波設計提供解決方案。

• Primarius：提供半導體測試與模擬工具，幫助IC設計和製造的精度提升。

• Siemens EDA：原Mentor Graphics，提供廣泛的EDA解決方案，涵蓋IC設計、驗證和生產。

• Silvaco：提供晶體管級的設計和模擬工具，特別是在低功耗和高性能設計中應用。

• SkillCAD：提供EDA軟體插件，提升Cadence工具中佈局設計的效率。

• Synopsys：全球頂尖的EDA供應商之一，提供從設計到製造的全方位解決方案，包括晶圓級封裝設計和晶片驗證工具。