1.2 电子设计自动化的发展

顺应集成电路发展的要求，集成电路CAD，确切地说是整个电子设计自动化必须要有大的发展。

随着集成电路与计算机的迅速发展，以CAD为基础的EDA技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节。

一个能完成较复杂的VLSI设计的EDA系统一般包括10～20个CAD工具，涉及从高层次数字电路的自动综合、数字系统仿真、模拟电路仿真到各种不同层次的版图设计和校验工具，完成了自顶向下的VLSI设计的各个环节和全部过程。

1.2.1 ICCAD的现状

自集成电路设计开始以来，人们一直寻找辅助设计的工具，集成电路CAD在不同的时代起着重要的作用，至今已经历四代：

[1] 第一代：20世纪70年代以Applicon、Calma、CV为代表的版图设计工具（版图编辑+DRC），PC上的代表是Tanner L_Edit；

[2] 第二代：20世纪80年代以Mentor、Daisy、Valid为代表的仿真和自动布线CAD系统，从原理图输入、模拟、分析、到自动布图及验证；

[3] 第三代：20 世纪90年代以Cadence、Synopsys、Avanti 等为代表的高级语言描述的ESDA系统，包括有系统级的设计工具，使仿真、综合等高度自动化；

[4] 第四代：正在研制面向VDSM+System-On-a-Chip的新一代CAD系统，正逆向设计相结合的设计集成系统（Design Integrated，DI）。

从不同的角度来看，IC设计按流程可以分成前端设计和后端设计，按方式也可以分为正向设计和逆向设计，IC CAD软件也可以按照这样的方式来划分。例如在FPGA的电路设计中，Verilog和VHDL（Very High-speed Integrated Circuit Hardware Description Language）被用做系统级电路设计的工具；北京芯愿景公司的Chiplogic Family和Hierux软件包在芯片逆向分析软件中也处于世界领先的水平，并与一些正向设计软件有很好的接口方式。

针对不同的设计阶段，有不同的代表产品。集成电路CAD主要包括工艺模拟、器件模拟、电路模拟、时序或逻辑模拟、版图的设计和验证等几个方面，作为能够进行IC全程设计的全线产品，还应当包括系统和功能的电路级的设计和仿真，可以采用硬件描述语言进行描述和综合。IC CAD全线产品的代表有基于工作站（Workstation）平台的Candence和基于PC平台的TannerPro设计软件包，例如我国华大的熊猫CAD软件包就是一个全线产品。对于大多数设计人员，一般只要进行电路的系统级综合或仿真，就可以实现IC芯片的设计。一些知名的电子CAD厂商，如Mentor、Cadence等的EDA工具都是全线产品，即它们的产品支持从系统级设计开始直到各种物理实现级上的全线自顶而下的设计。系统设计包括系统方案框图的设计和分析、系统级验证和测试以及综合、优化等高层次的内容。

实际上很多公司都有自己的主打产品，在IC CAD中，有了很多专用产品，在IC设计的不同环节以自身的技术优势被广泛使用，如电路模拟的HSPICE、逻辑模拟的Modelsim、工艺模拟的SUMPREM、器件模拟的MEDICI，其他一些专门从事系统级设计工具开发的公司产品也很受欢迎，如Comdisco、Synopsys、Logic Modeling等。

如同数字系统在系统设计中占有举足轻重的地位一样，数子系统方面的CAD软件也相对多些，Innoveda的ePD（eProduct Designer）和Viewlogic system的Workview office这些软件的强项也是在数字系统设计，模拟电路CAD主要是SPICE软件，现有的模拟电路的仿真工具都是以SPICE为基础实现的。

微电子市场需求增长最快的是低功耗器件、模/数混合型IC以及微电子集成系统，如Cadence的Analog Artist混合信号仿真软件包为IC设计者提供了混合IC设计的全面服务环境；一些专用CAD软件包起着更加重要的作用，如常用于DSP CAD的Comdisco的SPW（Singnal Processing Worksystem）、在系统行为级和综合及测试方面的Synopsys的高层次设计自动化HLDA、Logic Modeling专为各类器件建立仿真模型的Logic Automation的Smart Model，SOC的设计中ARM的PrimeXsys平台是一个典型针对移动手机芯片开发的SOC设计平台。

在教育CAD上，Synopsys和Viewlogic有一定的市场，Workview office曾经在PC平台上成为最好的电路设计软件，而北京芯愿景的Chiplogic Family软件在培养学生逆向分析能力上有很广阔的前景。

1.2.2 IC设计中的方法

对于VLSI来说，设计周期与设计成本均在其产品成本中占很大比例，测试的成本也已经大大超过其材料成本。从设计的角度来看，人工设计的周期是以人年计算，而且容易出错。

对于复杂电路的设计，主要依靠CAD实现。CAD的优点在于对全局的优化，不是对每一个单元的优化，它从总体出发，保证其形状和尺寸最适于总的布局，使引线所占面积尽可能小。CAD的重要性在于使设计便于处理，具有处理高度复杂性电路而不出错的能力。

人工设计的着重点则是局部的优化，包括电路功能和版图拓扑的优化，但其周期长，极易出错。

现在的设计普遍是以CAD为主的人机交互式设计。主要设计方法有：

[1] 自顶向下（Top Down）：将要设计的VLSI系统逐级分解成较简单的功能，直至达到可进行高效设计的、足够简单的功能块，每一级将要完成的功能以及上一级和下一级的接口均有严格的规定；

[2] 自底向上（Bottom Up）：根据现有的简单功能块或积木块单元，逐级向上组合，直至实现VLSI的总体功能。同样，每一级的功能及尺寸以及与上下级接口均有严格定义。

不论是Bottom Up还是Top Down的设计方法均体现了超大规模集成电路的分层分级的设计思想，每层每级之间均有严格的接口定义。

如图1.3所示，理想的VLSI的设计是把VLSI电路的行为描述、综合、模拟和测试的采用自顶向下方式进行逻辑结构的设计。而VLSI芯片的划分、布局及版图分析验证测试应采用自底向上方法对其几何图形进行设计。

在某种意义上讲，VLSI的积木块往往是由LSI的电路组成的，而LSI本身又是由MSI的单元组成的，而MSI单元则经过了细致的功能及版图设计、验证和实践的严格检验。

低端设计中人工设计的成分大些，而高端设计中的CAD成分大些。

传统的Bottom Up设计方法对系统设计师而言，就是利用现有通用器件从下而上结合成一个新系统，而自顶而下的设计方法则是首先从系统设计入手，从顶层进行功能方框图划分和结构设计，这时的设计是与工艺无关的。在方框图一级先进行仿真和纠错，用VHDL 语言对高层次的系统行为一级进行描述，并在系统一级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路网表电子设计转换格式（Electronic Design Interchange Format，EDIF），从而在物理上实现ASIC的芯片设计。

由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，故有利于早期发现结构设计上的错误，从而可以避免设计工作的过程中的反复，同时减小逻辑仿真的工作量。

这些典型技术包括框架结构（Framework）及各种标准、逻辑综合和优化、测试和可测试型设计、数据库管理和各种库的支持、VHDL语言等。

1.Framework

Framework是一种规范，目前各CAD厂商共同遵守由国际CAD框架协会（CAD Framework Initiative，CFI）制定的框架标准，各CAD厂商都是建立一个符合CFI标准的开放式框架结构。如Mentor的Falcon Framework、Cadence的Design Framework、Veiwlogic的Viewframe。

在这样的框架结构下，不同厂家的CAD产品就形成了统一的EDA软件包规范，这些软件工具可以进行优化组合，被集成在一个便于管理的统一环境下，实现资源的共享。

为了实现资源的共享和形成产品设计和产业规范，EDIF和CIF分别成为了电路级和版图级的数据规范。

（1）电子设计自动化中介格式（Electronic Design Interchanged Format，EDIF）

现在的CAD工具在电路设计完成以后，可以生成EDIF网表；

EDIF在电路图绘制、电路的行为及结构文本描述、逻辑描述、PCB设计、ASIC版图设计和其他分析综合工具之间建立起一个公共的标准，即一个共同确认的桥梁和媒介，而且这个桥梁是双向的；

EDIF以ASCⅡ字符为基础，是一种公开的非专有的互换格式，可向上兼容，不同设计系统的设计数据可以通过EDIF格式互相转换。

（2）加州理工中介格式（Caltech Intermediate Format，CIF）

CIF语言是一种几何描述语言，以ASCⅡ字符为基础，是一种由字符组成的可读文件；

CIF采用的是层次式结构的图形描述，基本的描述功能以命令形式出现；

命令的内容包括矩形、多边形、圆形、线条，图形符号定义开始、结束、图形符号调用、删除；掩膜层说明、结束、注释等；

设计师容易阅读、修改、组合和跟踪，通过反复循环调用这些图形符号，可以完整地描述一个复杂的VLSI电路版图；

设计师根据IC生产厂家提供的设计参数和设计规则芯片版图按照CIF格式将设计结果送到IC生产线上加工投片。

作为电子设计数据的有效交换手段，EDIF标准和CIF规范可以保护用户在设计工具、设计时间及设计数据方面的投资。EDIF和CIF格式正在逐步削弱电子CAD市场上新的设计工具之间的壁垒，成为电子CAD系统工具中必不可少的内容。

2.并行工程

在Framework的支持下，一种系统化、集成化、并行的产品及相关过程的开发模式，即并行工程得以实现。并行工程和Top Down的设计方法是现代电子产品的开发方式的两大特征。

3.逻辑综合优化

逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译成几级逻辑电路描述，使设计与工艺相对独立。

逻辑综合接受文本输入方式，包括优先状态机描述、布尔方程式、真值表、EDIF格式网表以及原理图的交互图形输入方式。

优化则是对于上述综合生成的网表，根据布尔方程式功能等效的原则用更小更快的综合结果替代一些复杂的单元，与指定的库映射生成新的网表，根据需要，再进一步进行工艺转换，用户可以设定时延和面积指标，以作为优化过程中的约束条件，指导从库中选取合适的单元。