1.1.1 EDA技术简介

在20世纪六七十年代，当时的电路设计大多都是用手工来完成。因为元器件数量少，连线也比较简单，所以并不容易出现错误。但是当线路的数量达到上百或者上千以后，电路图就变得复杂起来。这时的人工效率将变得很低，且错误率也会极大增加。错误率的增加导致时间成本、资金成本、人力成本等急剧增加，因而高效、低成本的EDA技术便登上了历史的舞台。

EDA技术是指利用EDA软件进行电子产品的自动化设计，主要是指电子电路设计与仿真、现场可编程门阵列（Field Programmable Logic Gate Array，FPGA）开发、印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）设计和集成电路（Integrated Circuit，IC）设计，是电子设计与制造技术发展的核心。EDA软件以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果。利用EDA工具，电子工程师可以从概念、算法、协议等开始进行电子产品的自动设计。

EDA技术的出现更好地保证了电子工程师对系统级、电路级和物理级等各级别电路的设计、仿真、调试和排错，为其带来强有力的技术支持，并且在电子、通信、化工、航空航天、生物、军事等各个领域占有越来越重要的地位，极大程度地提升了相关从业者的工作效率和设计成功率。

1.EDA技术的发展历程

EDA技术在近二三十年里获得了飞速发展，应用领域也变得越来越广泛，其发展过程就是现代电子设计技术的重要历史进程，主要包括早期阶段、发展阶段和成熟阶段等。

1）早期阶段，即CAD阶段。20世纪70年代，已有中小规模的集成电路，当时人们采用传统的方式进行制图，设计印制电路板和集成电路，不仅效率低、花费大，而且制作周期长。人们为了改善这一情况，开始运用计算机对电路板进行PCB设计，用CAD这一崭新的图形编辑工具代替电子产品设计中布图布线这类重复性较强的劳动，其功能包括设计规则检查、交互图形编辑、PCB布局布线、门级电路模拟和测试等。

2）发展阶段，即CAE阶段。20世纪80年代，EDA技术已经到了一定的发展和完善阶段。由于集成电路规模逐渐扩大，电子系统变得越发复杂，为了满足市场需求，人们开始对相关软件进行进一步的开发，在把不同CAD工具合成到一种系统的基础上，完善了电路功能设计和结构设计。EDA技术在此时期逐渐发展成半导体芯片的设计，已经能生产出可编程半导体芯片。

3）成熟阶段。20世纪90年代以后，微电子技术获得了突飞猛进的发展，集成几千万乃至上亿的晶体管只需一个芯片。这给EDA技术带来了极大的挑战，促使各大公司对EDA软件系统进行更大规模的研发，以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特点的EDA就此出现，使得EDA技术获得了极大的突破。

2.EDA技术的特点

EDA技术的发展使得硬件设计进入了一个新的阶段，它不仅能极大提高设计效率，而且节省设计成本，减少设计周期，因此EDA技术已经成为当今电子设计的主要工具。利用EDA技术进行电子系统设计有以下几个特点：

1）采用自上而下的设计方法。其基本思想是从系统总体要求出发，分模块化整为零设计，各环节设计逐渐求精的过程。从系统的分解、模型的建立、门级模型的产生到最终的底层电路，将设计内容逐步细化，最后完成整体设计，这是一种全新的设计思想与设计理念。

2）提升设计的保密性和灵活性。系统中采用大量可编程元件，使系统具有保密性，在通信设备、计算机系统中，这已经成为衡量系统先进性的一个标准。可根据现场需要灵活配置系统中可编程元件的逻辑，极大地拓展了同一硬件系统的适用范围。

3）降低成本、缩短设计周期。设计过程除“方案提出”外的每个阶段都可以利用设计软件中的工具进行仿真，EDA中强大的逻辑仿真测试技术能够及时发现设计中的错误，大大降低成本，缩短设计周期。对于集成电路的布局布线、PCB的布局布线等烦琐的设计工作，电子工程师只需指定规则和约束，让EDA软件自动完成。

4）共享设计资源、提升设计质量。当今复杂电子系统设计，都采用“EDA软件+IP核”的方式完成。商业知识产权核（Intellectual Property Core，IP Core）都经过严苛的测试与验证，能帮助设计者第一时间获得成功、加速产品的上市进程。传统搭实验板的电路验证方式，很难进行多种方案的比较，更难以进行灵敏度分析、蒙特卡洛分析、最坏情况分析等，而采用EDA技术则很容易实现上述各种分析。

5）采用HDL设计电路、降低设计难度。采用硬件描述语言（Hardware Description Lan guage，HDL）甚至高级语言（如C、C++语言等）设计逻辑单元，与器件物理层无关，从而降低了对设计者硬件电路方面的知识要求和经验要求。用软件的方式设计硬件，易于在各种集成电路工艺和可编程元件之间移植，适合多个设计者分工合作，协同设计。

提示：

IP核（Intellectual Property Core）就是知识产权核或知识产权模块的意思，在EDA技术开发中具有十分重要的地位。美国著名的咨询公司Dataquest将半导体产业的IP定义为“用于ASIC或FPGA中的预先设计好的电路功能模块”。IP主要分为软IP、固IP和硬IP。软IP是用Verilog、VHDL等硬件描述语言描述的功能块，但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。固IP是完成了综合的功能块。硬IP提供设计的最终阶段产品——掩膜。

3.EDA软件的分类

依赖于EDA软件才能实现电子设计自动化。EDA是广义CAD的一种，是细分的行业软件。EDA软件设计凝聚大量数学、图论、物理、材料、工艺等学科知识，实现电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，完成电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB图的整个过程。经过几十年的发展，EDA工具已非常丰富，按照功能和使用场合，可以分为电路设计与仿真工具、可编程逻辑器件设计工具、PCB设计工具、IC（集成电路）设计工具等。

1）电路设计与仿真工具。电路设计与仿真工具主要有Multisim、SPICE/PSPICE、EWB、MATLAB、SystemView等。

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal—SPICE）。现在用得较多的是PSPICE 6.2，可以说在同类产品中，它是功能强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在行业内普遍使用。

Multisim是美国NI（National Instrument）公司开发的软件，Multisim采用基于PSPICE的器件模型进行电路性能和功能仿真。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。本书将重点介绍基于Multisim 14.2软件的电路设计与仿真分析技术。

2）可编程逻辑器件设计工具。可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型：CPLD（Complex PLD）和FPGA（Field Programmable Gate Array）。它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电缆，由目标器件实现所设计的数字系统。最有代表性的PLD厂家为ALTERA和Xilinx公司。

3）PCB设计工具。PCB设计软件种类很多，如Altium Designer、OrCAD、PowerPCB、Cadence allegro等。Altium Designer致力于创建一个真正统一的设计环境，使用户能够轻松连接到印制电路板设计过程的各个方面。Altium Designer现已成为市场上应用最广泛的印制电路板设计解决方案。

4）IC（集成电路）设计工具。比较知名的IC设计工具公司有Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。三家公司业务侧重点和优势各不相同，但都具备IC设计工具的六大功能模块：设计输入工具、设计仿真工具、综合工具、布局布线工具、物理验证工具和模拟电路仿真器等。

4.我国EDA技术的发展现状

总体来讲就是，我国EDA软件市场与发达国家的发展水平有一定差距。

目前，世界上著名的三大EDA软件公司，分别是美国的Synopsys、美国的Cadence和德国西门子旗下的Mentor Graphics。这三大公司的EDA软件覆盖了IC设计、电路设计、PLD设计、PCB设计等全业务范围。这三家公司占据了全球EDA软件市场规模70%的份额。我国的EDA企业诞生的大多较晚，发展较为缓慢，因而想要在短时间内赶超世界先进的EDA技术任重道远。

1978年10月“数字系统设计自动化”学术会议于桂林阳朔举行，被誉为我国“EDA事业的开端”，标志着我国EDA事业在学术领域的萌芽。

1986年前后国家计委设立了“ICCAD Ⅲ级系统开发”专项，正式启动国产EDA工具“熊猫系统”的研发工作，1993年，“熊猫ICCAD系统”全面问世，填补了我国在EDA领域的空白。

北京集成电路设计中心（CIDC）成立于1986年，也是国内第一家集成电路设计中心，后改名为中国华大集成电路设计中心。

我国EDA行业发展历程如图1-1所示。

拓展阅读

EDA软件具有技术门槛高、成本弹性较大、产业高度集中等特点，所以，导致我国在EDA软件方面的发展相对较慢，无法形成完整的EDA产业链。同时，在过去的很多年中，我国EDA行业相关人才紧缺也是需要解决的问题。

EDA软件属于“卡脖子”的技术，这从近几年的“中兴事件”“华为事件”等可窥见一斑。广大学子既要具备用好先进主流EDA工具的能力，更要有致力于开发国产EDA软件的决心和信心。要努力学习专业知识，不断提升自己的专业水平，为国家的科技发展贡献力量。

2000年，国务院印发《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（国发〔2000〕18号），正式吹响了中国软件产业和集成电路产业发展的号角，此后中国软件产业和集成电路产业迎来高速发展的黄金时期。特别是中国软件业销售额从2000年的500亿元跃升到2015年的5万亿元左右，15年里增长了约100倍。

2011年，国务院印发《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》，针对我国软件产业和集成电路产业的短板和薄弱环节继续加大政策支持力度。

2020年8月4日，国务院正式发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，对新时期加快集成电路产业和软件产业高质量发展提出了一批重大支持政策。在当前复杂严峻的国际形势和国内经济环境背景下，国务院又一次针对软件产业和集成电路产业发布支持政策，体现出中央对产业发展形势的最新判断。

在产业政策的积极引导和市场需求的强劲驱动下，国产EDA软件正奋起直追，国产EDA软件的市场份额逐年攀升。近年来我国本土EDA企业不断打磨产品以及开拓海外市场，国产EDA工具销售额在2018—2020年呈现逐年增长的态势，年复合增长率高达13.86%。我国本土EDA企业中，华大九天、芯愿景、广立微电子、芯禾科技等是其中的佼佼者，主要聚焦于集成电路设计EDA软件的研发。我国主要EDA公司及其主要产品概览见表1-1。