01 ? ? 從海灣戰爭說起

30年前的海灣戰爭是一場典型的現代化戰爭。在這場戰爭中，以美國為首的多國部隊，空軍用了38天，地面部隊僅100小時，以微弱的損失達成了戰爭的勝利。事后有評論說這場戰爭，“是一場硅片擊敗鋼鐵的勝利”，這里的“硅片”就是指以芯片為基礎的電子信息系統。

在這場戰爭中，有出盡了風頭的“愛國者”和“飛毛腿”導彈。記得那時電視經常會報道“愛國者”攔截“飛毛腿”的新聞，有時還會碰到直播。早期新聞報道，愛國者攔截成功率有90%，后來報道數據造假，實際成功率只有30%-50%。

海灣戰爭中，另一個搶眼的明星，F-117隱身轟炸機。該飛機在雷達上的面積比一只鳥還要小，幾乎可以忽略不計。

該飛機的設計理念最早來自于前蘇聯一位數學家彼得?烏菲莫切夫。1964年該數學家在莫斯科無線電工程研究所的期刊上發表了題為

“Method Of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction”的論文。翻譯過來就是“物理衍射理論中的邊緣波方法”，彼得?烏菲莫切夫從數學角度證明了物體返回的雷達強度和物體的邊緣形狀有關，而與大小無關，并且計算出了沿機翼表面和邊緣的雷達反射面。計算結果表面即使是大型飛機，其機翼按照一定規則設計，可以顯著的降低雷達反射面(RCS)。但是按照這種規則設計的飛機在空氣動力學上存在不穩定，而且當時的計算機技術也無法同時滿足飛行和設計需求。70年代，計算機技術有了飛速發展，當時洛克希德公司分析師發現了該論文，同期DARPA簽發了建造“隱身攻擊機”的需求，也就有了后來的一系列隱身研發項目。

現在借助于CAE/EDA等電磁仿真軟件，精確建模和大型計算機，我們可以輕松準確地計算出F-117以及B-2的雷達反射面積(RCS)，并采取相應的反制措施。

02 ? ? EDA概述

維基百科上的解釋是：EDA，也稱ECAD，是一類用于設計集成電路和印刷電路板等電子系統的軟件工具。這些工具用來幫助芯片設計人員設計和分析整個半導體芯片的設計流程中協同工作，由于現代半導體可以包含數十億以上的組件，因此EDA工具對于設計非常重要。

百度百科解釋：EDA是指利用計算機輔助設計（CAD）軟件，來完成超大規模集成電路（VLSI）芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計（包括布局、布線、版圖、設計規則檢查等）等流程的設計方式。

部分書籍上介紹：EDA是電子設計自動化

(Electronics Design Automation）的縮寫，在20世紀60年代2中期從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的。EDA技術是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。

從一般意義上講，EDA遠不止此，所有跟電子設備和裝備相關的設計，仿真，驗證，實驗等相關都可以納入EDA的范疇，類似于CAE。從納米級的器件晶體管，到IC集成電路，PCB，顯卡，收音機，家用電器，手機電腦，車載電子系統，天線，大型相控陣雷達，其實都和EDA相關。目前大家對EDA的解讀主要在于集成電路設計，這個屬于行業理解范疇，沒什么問題。而通常講的EDA，主要是指EDA軟件，是工業軟件一個子類，也是一直以來國內發展最弱的工業軟件之一。

03 ? ? 再聊芯片

考慮到EDA和芯片緊密相關，所以芯片內容也稍微展開介紹一下：

進一步展開：

以上圖片來源網絡

04 ? ? TCAD

TCAD(Technology CAD)是一個專有名詞，主要涉及半導體領域晶體管的器件仿真和工藝仿真。

MOSFET: Metal-Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor?

金屬氧化物半導體場效應晶體管

FinFET:?Fin?Field-Effect Transistor? 鰭式場效應晶體管

GAAFET: Gate All Around?FET(全柵場效應晶體管)

CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor?互補金屬氧化物半導體，區別“感光元器件”

以上圖片來源于網絡

其中，2022年8月，美國商務部限制出口的EDA軟件就是專門用于GAAFET晶體管的設計仿真，該晶體管可以支持3納米的制程。

TCAD軟件是針對晶體管器件設計仿真和工藝仿真。晶體管的作用主要是在物理層表示數字上的1和0。器件仿真對象是成形的結構，其理論基礎是通過調節器件里的電子和空穴狀態，來表征不同特性。多數載流子為電子的半導體為n型，多數載流子為空穴的為p型，一個p型和n型可以構成最簡單的pn結，pn結具有單向導電性，是許多器件所利用的基本特性；工藝仿真則是針對晶體管制造工藝過程，包括類似光刻，刻蝕，粒子注入過程中的模擬仿真等等，這里就不展開了。

TCAD數值計算中的PDE為漂移-擴散方程，該方程是用來描述半導體中載流子的運動規律的方程。它描述了兩類運動：擴散電流和漂移電流。漂移擴散方程和泊松方程一起可以用來計算半導體內的電勢分布和載流子濃度分布，該模型應用廣泛，屬于用半經典性模型。

摩爾定律

摩爾定律是英特爾創始人之一戈登·摩爾的經驗之談，其核心內容為：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

簡單理解就是單位面積的晶體管數量越多，其計算能力就越強。下圖展示了不同時期Intel處理器上晶體管的數量。橫軸是時間，豎軸是晶體管數量。

總之，TCAD可以認為是EDA領域下面一個非常細分的領域，國內外的玩家也比較少，市場上主流的兩款軟件Sentaurus和Slivaco。

05 ? ? 復習電磁波

1864年，英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象的基礎上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。

1887年，德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之后，1898年，馬可尼又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發現了更多形式的電磁波，它們的本質完全相同，只是波長和頻率有很大的差別。

電磁波有三大屬性，即振幅（強度、光強）、頻率（波長）和波形（頻譜分布），對于可見光而言，這三者分別對應光顏色的明度，色相和色度，對于單一頻率的電磁波而言，還有初相位的概念，其波形為正弦曲線（余弦曲線），稱之為正弦波（余弦波），電磁波的波形越接近正弦波，其頻譜越純粹，單色性越好，典型的例子就是激光。

電磁波的一個重要屬性是頻率，它可以決定電磁波的各種性質，但是描述電磁波的頻率，不一定必須用頻率本身，還可以是和頻率有關的物理量，常用的有波長（如果不做任何說明，則默認指真空中的波長，與頻率是唯一對應關系，成反比）、光子能量（與頻率成正比）、波數（波長的倒數，與頻率成正比，默認為真空中的波長）和周期（與頻率成反比）等。

電磁波理論的建立和完善，是電子系統設計的重要理論基礎。

06 ? ? 電磁數值計算方法

計算電磁學CEM（computational electromagnetics）是筆者在研發過程中認為最復雜的物理場，難度在CFD和計算材料學之上。計算電磁學的復雜主要表現在物理場抽象，計算規模大，同時求解方法眾多，涉及到大量的底層技術知識，電磁波在不同頻率上所表現的特質完全不同。電磁求解的PDEs(偏微分方程組)是麥克斯韋方程組：

求解電磁學可分為三類：解析法，數值法，以及半解析半數值。

? 時域方法與譜域方法

電磁學的數值計算方法可以分為時域方法(Time Domain或TD)和頻域方法(Frequeney Domain或FD)兩大類。

時域方法對Maxwell方程按時間步進后求解有關場量。最著名的時域方法是時域有限差分法(Finite Difference Time Domain或FDTD)。這種方法通常適用于求解在外界激勵下場的瞬態變化過程。若使用脈沖激勵源，一次求解可以得到一個很寬頻帶范圍內的響應。時域方 法具有可靠的精度，更快的計算速度，并能夠真實地反映電磁現象的本質，特別是在諸如短脈沖雷達目標識別、時域測量、寬帶無線電通訊等研究領域更是具有不可 估量的作用。

頻域方法是基于時諧微分、積分方程，通過對N個均勻頻率采樣值的傅立葉逆變換得到所需的脈沖響應，即研究時諧(Time Harmonic)激勵條件下經過無限長時間后的穩態場分布的情況，使用這種方法，每次計算只能求得一個頻率點上的響應。過去這種方法被大量使用，多半是 因為信號、雷達一般工作在窄帶。當要獲取復雜結構時域超寬帶響應時，如果采用頻域方法，則需要在很大帶寬內的不同頻率點上的進行多次計算， 然后利用傅立葉變換來獲得時域響應數據，計算量較大；如果直接采用時域方法，則可以一次性獲得時域超寬帶響應數據，大大提高計算效率。特別是時域方法還能 直接處理非線性媒質和時變媒質問題，具有很大的優越性。時域方法使電磁場的理論與計算從處理穩態問題發展到能夠處理瞬態問題，使人們處理電磁現象的范圍得 到了極大的擴展。

頻域方法可以分成基于射線的方法(Ray-based)和基于電流的方法(Current-based)。前者包括幾何光 學法(GO)、幾何繞射理論(GTD)和一致性繞射理論(UTD)等等。后者主要包括矩量法(MoM)和物理光學法(PO)等等。基于射線的方法通常用光 的傳播方式來近似電磁波的行為，考慮射向平面后的反射、經過邊緣、尖劈和曲面后的繞射。當然這些方法都是高頻近似方法，主要適用于那些目標表面光滑，其細 節對于工作頻率而言可以忽略的情況。同時，它們對于近場的模擬也不夠精確。另一方面，基于電流的方法一般通過求解目標在外界激勵下的感應電流進而再求解感 應電流產生的散射場，而真實的場為激勵場與散射場之和。基于電流的方法中最著名的是矩量法。矩量法嚴格建立在積分方程基礎上，在數字上是精確的。其實，我 們并不能判斷它是一種低頻方法或者是高頻方法，只是矩量法所需要的存儲空間和計算時間隨未知元數的快速增長阻止了其對高頻情況的應用，因而它只好被限定在 低頻至中頻的應用上。物理光學法可以認為是矩量法的一種近似，它忽略了各子散射元間的相互耦合作用，這種近似對大而平滑的目標是適用的，但是目標上含有邊 緣、尖劈和拐角等外形的部件時，它就失效了。當然，對于簡單形狀的物體，PO法還是一個常用的方法，畢竟，它的求解過程很迅速，并且所需的存儲空間也非常 少(O(N))。

? 積分方程法與微分方程法

從求解的方程形式又可以分成積分方程法(IF)和微分方程法(DE)。IE法 與DE法相比，特點如下：(1)IE法的求解區域維數比DE法少一維，誤差僅限于求解區域的邊界，故精度高；(2)IE法適宜于求解無限域問題，而DE法 用于無限域問題的求解時則要遇到網格截斷問題；(3)IE法產生的矩陣是滿的，階數小，DE法所產生的矩陣是稀疏的，但階數大；(4)IE法難處理非均 勻、非線性和時變媒質問題，而DE法則可以直接用于這類問題。因此，求解電磁場工程問題的出發點有四種方式：頻域積分方程(FDIE)、頻域微分方程 (FDDE)、時域微分方程(TDDE)和時域積分方程(TDIE)。

計算電磁學也可以分成基于微分方程的方法(Differential Equation)和基于積分方程的方法(Integral Equation)兩類。前者包括FDTD、時域有限體積法FVTD、頻域有限差分法FDFD、有限元法FEM。在微分方程類數值方法中，其未知數理論上 講應定義在整個自由空間以滿足電磁場在無限遠處的輻射條件。但是由于計算機只有有限的存貯量，人們引入了吸收邊界條件來等效無限遠處的輻射條件，使未知數 局限于有限空間內。即便如此，其所涉及的未知數數目依然龐大(相比于邊界積分方程而言)。同時，由于偏微分方程的局域性，使得場在數值網格的傳播過程中形 成色散誤差。所研究的區域越大，色散的積累越大。數目龐大的未知數和數值耗散問題使得微分方程類方法在分析電大尺寸目標時遇到了困難。對于FEM方法，早期基于節點(Node-based)的處理方式有可能由于插值函數的導數不滿足連續性，而導致不可預知的偽解問題，使得這種在工程力學中非常成功的方法在電磁學領域內無法大展身手，直到一種基于棱邊(Edge-based)的處理方式的出現后，這個問題才得以解決。同樣，電磁有限元高階單元可以提升計算精度，降低網格要求。

積分方程類方法主要包括各類基于邊界積分方程(Boundary Integral Equation)與體積分方程(Volume Integral Equation)的方法。與微分類方法不同，其未知元通常定義在源區，比如對于完全導電體(金屬)未知元僅存在于表面，顯然比微分方程類方法少很多；而格林函數(Green’s Function)的引入，使得電磁場在無限遠處的輻射條件己解析地包含在方程之中。場的傳播過程可由格林函數精確地描述，因而不存在色散誤差的積累效應。

07 ? ? EDA里的多物理場分析

EDA中的仿真分析除了器件仿真，電路仿真以及電磁仿真外，多物理場仿真也不可或缺，其中包括：

1.力學分析

手機跌落很容易對其中電子器件造成損壞，所以需要對其進行動力學分析，保證手機中的電子器件在沖擊荷載下仍然能正常工作。交通裝備比如列車，飛機等在高速運動中產生的振動極易造成電子器件脫落和失效，也是力學分析的重點。其主要工具就是之前提到的顯式動力學軟件LSDYNA，Altair開源的openRadioss以及Abaqus的顯式模塊等。

2.熱分析

熱分析是電子器件分析的重點。據統計，約80%的電子器件失效并不是“用”壞的，而是燒壞的，其原因在于電子器件在工作時高溫狀態。同時溫度越高，芯片工作效率就越低。所以控制工作溫度也就是電子設備器件設計的重中之重。一般的CAE軟件都能進行熱分析，是工業軟件仿真最基本的功能。

3.?熱應力

電子器件溫度升高不僅影響器件本身，而且還會改變電路特性，此外由于溫度改變，產生額外熱應力(Thermal Stress)，造成器件損壞或脫落，也是力學分析中的重點。熱應力耦合是最基礎的多物理場仿真。

4. CFD

芯片中的CFD分析主要是針對散熱，相比一般的CFD計算，計算模型偏于簡單。CFD散熱和電路熱分析也是比較典型的弱耦合分析。

08 ? ? 電路理論和設計內容

IC?和PCB

IC(Integrated Circuit)一般指集成電路，是一種微型電子器件，IC的制作過程是將一個電路中所需要的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連在一起，并制作在一塊或者幾小塊的半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，最后成為具有所需電路功能的微型結構。

PCB(Printed Circuit Board)也就是常說的印制電路板，是電子元器件電氣相互連接的載體。印刷電路板從單面板發展到多面板，其所具備的性能越來越強大，在智能電子設備生產中占據著重要的地位

09 ? ? 研發人員需要了解什么

上圖是多次提到的工業軟件研發內容，和EDA的研發內容其實也高度吻合，比如CST，HFSS都需要三維幾何內核和顯示引擎，使用有限元方法需要網格系統和求解大規模線性方程組，設計無一例外的需要優化算法，比如布線，參數掃描。而類似掃頻功能天然適合HPC高性能計算。AI已經應用到PCB布線功能中。

最后再強調下，文件介紹主要針對工業軟件的研發人員，屬于科普性質，因此在很多領域描述并不詳盡或準確，尤其是涉及到半導體材料，工藝，產業鏈，行業發展歷史以及設計仿真具體相關內容。

10 ? ? 什么是封裝？

封裝，Package，是把集成電路裝配為芯片最終產品的過程，簡單地說，就是把鑄造廠生產出來的集成電路裸片（Die）放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來，然后固定包裝成為一個整體。

不同的計算和通信功能可能集成在一個硅單片上，通常被稱為片上系統(System on Chip)或SoC集成；或者異構集成在封裝內，通常稱為系統級封裝(System in Package, SiP)。片上系統集成技術的優點在于縮短了互連長度，提高了信號質量，由于IP核之間的高效片上鏈接降低了系統功耗，同時也因從整體上減少了硅片面積而進一步實現了摩爾定律。

? 為什么要三維封裝？

傳統工藝一般都是2D或2.5D封裝，但隨著對芯片功耗，小型化以及工藝的提升，目前主流封裝采用三維封裝。

通過三維封裝技術可以大幅度縮小電子產品尺寸和減輕重量，降低功耗。

常用的封裝架構有：

芯片+芯片

封裝+封裝

異構集成（Chiplet，芯片堆疊，封裝堆疊）

封裝設計是芯片和EDA領域非常重要的一塊業務，其標準制定也是各大軟硬件廠商搶占的制高點。比如Intel主導的UCIe標準就是制定了一系列Chiplet連接標準，成立的UCIe聯盟則是讓更多的軟硬件公司使用和支持其標準，建立生態。而先進封裝涉及到材料，器件，工藝，制造設備，EDA軟件等等，也是行業技術水平的集中體現。

11 ? ? 什么是IP核？

IP也就是Intellectual Property，知識產權。

IP核就是知識產權核或知識產權模塊的意思，在EDA技術開發中具有十分重要的地位。IP（知識產權）核將一些在數字電路中常用，但比較復雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設計成可修改參數的模塊。隨著CPLD/FPGA的規模越來越大，設計越來越復雜（IC的復雜度以每年55%的速率遞增，而設計能力每年僅提高21%），設計者的主要任務是在規定的時間周期內完成復雜的設計。調用IP核能避免重復勞動，大大減輕工程師的負擔，因此使用IP核是一個發展趨勢，IP核的重用大大縮短了產品上市時間。

從軟件工程角度理解，IP核可以看作是已經開發好的可以復用的模塊，或者第三方庫。有些公司專門開發IP核，就類似QT公司專注做軟件的GUI。

12 ? ? 什么是PDK？

集成電路PDK 是 Process Design Kit 的縮寫，是制造和設計之間溝通的橋梁，是模擬電路設計的起始點。

PDK是芯片設計流程中與EDA工具一起使用的特定于代工廠的數據文件和腳本文件的集合。PDK的主要組件是模型，符號，工藝文件，參數化單元（PCell）和規則文件。使用PDK，設計人員可以快速啟動芯片設計，并從原理圖輸入到版圖輸出，無縫地完成設計流程。

13 ? ? 什么是SPICE

目前構成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學工作特性出發，把元器件看成‘黑盒子’，測量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級模型。這種模型的代表是IBIS模型和S參數。其優點是建模和使用簡單方便，節約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級模型幾乎是唯一的選擇，缺點是精度較差，一致性不能保證，受測試技術和精度的影響；另一種是以元器件的工作原理為基礎，從元器件的數學方程式出發，得到的器件模型及模型參數與器件的物理工作原理有密切的關系。SPICE模型是這種模型中應用最廣泛的一種，其優點是精度較高，特別是隨著建模手段的發展和半導體工藝的進步和規范，人們已可以在多種級別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點是模型復雜，計算時間長。

14 ? ? 什么是高頻電路?

高頻電路有其特殊性，主要原因在于一方面電阻，電感，電容等各種電路元器件隨工作頻率表現出高度非線性特征，另外在高頻工作時，電路受電磁場場效應明顯，其工作原理和低頻電路完全不同，比如高頻電路常見的趨膚效應，寄生電容，電磁串擾等。

對于高頻電路，有對應的分析內容，主要包括信號完整性SI(Signal Integration)和電源完整性?PI(Power Integration)

對高頻電路的理解可以從傳輸線開始，一般的PCB設計書上都有介紹。

15 ? ? 什么是前端設計和后端設計？

互聯網領域有前端和后端之分，前端主要指基于網頁等的表示層客戶端，而后端主要指以數據和業務處理為主的服務端。

EDA前端設計主要是邏輯設計，前端以設計架構為起點，以生成可以布局布線的網表為終點，是用設計的電路實現想法；

后端是物理設計，數字后端以布局布線為起點，以生成可以可以送交foundry進行流片的GDSII文件為終點，是將設計的電路制造出來，在工藝上實現想法。

16 ? ? 天線系統

天線系統是由發射天線和接收天線組成的系統。前者是將導行波模式的射頻電流或電磁波變換成擴散波模式的空間電磁波的傳輸模式轉換器；后者是其逆變換的傳輸模式轉換器。

通常EDA軟件需要精確仿真計算天線的各種性能，包括二維三維遠場和近場輻射方向圖，天線的方向性，增益，軸比，半功率波瓣寬度，內部電磁場分布，天線阻抗，電壓駐波比，S參數等相關內容。

17 ? ? RICS-V是什么？

RISC-V是一種精簡的指令集計算機（RISC）架構，與Arm，Power或Sun SPARC并無不同。但是與以前的RISC處理器不同，RISC-V是完全開源的，任何人都可以免費使用。它也很小，只有47條指令。相比之下，Arm有200多條指令，而AMD和Intel使用的復雜指令集計算機（CISC）架構可以遠遠超過1，500條指令，同時也無需RAM或者X86架構的高額授權費用，使得RICS-V成為國內很多芯片設計公司的首選。

18 ? ? 電磁兼容EMC

EMC(Electro Magnetic Compatibility)——電磁兼容，是指電子、電氣設備或系統在預期的電磁環境中，按設計要求正常工作的能力。就世界范圍來說，電磁兼容性問題已經形成一門新的學科，也是一門以電磁場理論為基礎，包括信息、電工、電子、通信、材料、結構等學科的邊緣科學，同時也是一門實踐性比較強的學科，需要產品工程師具有豐富的實踐知識。EMC仿真是EDA軟件中的一項重要分析功能。

19 ? ? Sign-Off是什么

Sign-Off字面意思是簽收，簡單理解就是交付。事情全部做完交付！

20 ? ? 行業哪些公司

一般認為全球SIEMENS，CADENCE，SYNOPSYS三大公司是EDA廠商第一梯隊，最近（2022年）ANSYS自己表示也已進入EDA第一梯隊。

最后再強調下，文件介紹主要針對工業軟件的研發人員，屬于科普性質，因此在很多領域描述并不詳盡或準確，紅色標注的是關鍵字，需要進一步了解可以用作關鍵字查詢。

名詞解釋：

? RCS--Radar Cross-Section?

雷達反射截面

??Moore's Law--摩爾定律

??SoC--System on Chip 片上系統

??TSV--Through Silicon Via 硅通孔

??BGA--Ball Grid Array Package?

球柵陣列

??SIP--System in Package 系統封裝

??ASIC--Application Specific Integrated Circuit 專用集成電路

??FPGA--field-programmable gate array

場可編程門陣列

??EDA--Electronic Design Automation 電子設計自動化

??CAD--Computer Aided? Design?

計算機輔助設計

??TCAD--Technology CAD?

涉及半導體工藝和器件仿真技術

??ECAD--Electronic CAD?

電子計算機輔助設計

??CEM--Computational Electro-Magnetics

計算電磁學

??VLSI--Very Large Scale Integration

大規模集成電路

??CPU--Central Processing Unit?

中央處理器

??GPU--Graphic Processing Unit?

圖形處理器

??TPU--Tensor Processing Unit?

張量處理器

??NPU--Network Processing Unit?

網絡處理器

??PDE--Partial Differential Equation 偏微分方程

編輯：黃飛

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