EDA简史：半导体与集成电路设计技术的商业、生态与未来孙路 FPGA GPU MCU DSP 半导体_孙路_9787111795940

芯片是现代科技的基石，而EDA工具则是创造芯片的神笔。没有EDA，动辄数十亿晶体管的复杂芯片设计将是不可想象的任务。《EDA简史》首次系统性地梳理了这片隐秘而伟大的科技疆域，全景式地再现了EDA从学术思想萌芽、到商业浪潮崛起、乃至赋能整个半导体产业的壮阔历程。
本书不仅是一部技术演进史，更是一部商业风云录和人文故事集。它深入解析了电路仿真、逻辑综合、物理设计等核心技术的诞生与演进，生动讲述了Cadence、Synopsys、Mentor（西门子EDA）三巨头如何崛起并塑造行业格局，并揭示了其背后华裔科学家与企业家的关键贡献。透过EDA的发展之镜，读者将深刻理解摩尔定律背后的工程经济学，以及全球半导体产业生态的协同与竞争。
本书结构宏大，逻辑严密，分为四大篇章，层层递进：
（1）技术科普篇：回溯EDA的技术之根，从SPICE仿真器、硬件描述语言Verilog/VHDL的诞生，到逻辑综合、物理验证等核心技术的突破，深入浅出地阐释了关键工具的原理与价值，并致敬了学界先驱们的奠基性贡献。
（2）商业发展篇：一部波澜壮阔的商业史诗，详细讲述了Cadence、Synopsys、Mentor（西门子EDA）三巨头的创业、并购与竞争历程，同时剖析了PCB设计、模拟IC设计等细分领域的众多玩家如何崛起、衰落或被整合，再现了行业惊心动魄的竞争与合作。
（3）生态环境篇：视野扩展至整个产业生态，深入分析了IP核（知识产权）的兴起与商业模式、EDA与芯片设计的人才培养与教育体系、遵循摩尔定律的半导体经济学，以及中国集成电路设计业的发展与挑战，揭示了EDA繁荣背后的支撑网络。
（4）未来趋势篇：展望后摩尔时代的技术前沿，探讨了Chiplet/异构集成、存算一体、硅光集成等新范式对EDA的挑战，并聚焦人工智能如何赋能EDA工具自身进化，以及云计算如何重塑芯片设计流程的未来图景。
本书将能成为一扇窗，致敬过往的先驱，照亮未来的征途，与您一同探索塑造了数字世界的隐秘力量。

执古之道，以御今之有。能知古始，是谓道纪。
《老子》
我与EDA的故事
格局已定。
我在研究生二年级首次接触EDA软件时，便对这些神器般的工具产生了浓厚的兴趣。那时我有一个疑问：同样是设计行业，相比服装设计、建筑设计、平面设计等，为什么只有应用于芯片设计的EDA软件拥有如此复杂而且高度自动化的功能？然而，从另一个角度来看，EDA软件总是运行在古老的Linux系统中，封闭在若干个服务器集群里，外界很难对它一窥究竟。
这让我产生了一种非常矛盾的感受：手里用着EDA软件这种价值上百万美元的高端工具，却局限在封闭的古老系统中，甚至连像样的图形界面都没有，只能依靠命令行和制表符构建的表格进行工作。同时，这也让习惯于右手握鼠标，左手下意识地放在ASDW键上的人，难以适应这种工作环境。
没错，这说的正是当时的我。
当我开始饶有兴致地研究EDA软件的原理时，并不知晓这个金字塔尖一般的科技市场竞争格局已经确定。那些EDA行业的先驱者们，那些潮起潮落的企业与团队，那些曾经风靡一时的新锐软件，都陆续化作历史上醒目的无酸纸页。它们潜藏在翻也翻不完的代码堆里，融合进更为庞大的软件产品中。
无数曾为EDA软件贡献代码的工程师将自己的知识结晶纳入其中。他们或许来自美国、欧洲，也可能来自中国、日本。全世界顶尖的软件工程师们，各自拥有着完全不同的文化背景、教育经历，甚至宗教思想，竟然能用同一种或几种编程语言来共同完成一款EDA软件，从而让我们可以用它来完成人类永远无法用手工完成的设计工作。这难道不是一种奇迹吗？
我喜欢奇迹这个说法。它就像摩尔定律一样，是一种确定性的预言，礼貌而不失温度。
当时作为一名新手工程师，我参与了学校的芯片开发项目。在我眼里，EDA软件没有赏心悦目的图形界面，没有浅显易懂的用户手册，没有清晰可见的任务提示，更没有迅速可得的运算结果。在那个炎热的夏天，我在实验室吹着空调，一脸懵懂地和几百万个大大小小、长长短短的矩形与线段玩着搭积木的游戏。我相信，很多初次进入芯片物理设计领域的同学都会有这样的感受像误闯进一片森林，对每一片树叶都充满了好奇。
毕业后，我有幸来到某EDA巨头的中国研发中心工作，成为一名EDA软件的内部用户，即所谓的测试工程师。我每天的工作就是想方设法折磨EDA软件，模拟真实的用户使用场景，寻找潜在的软件bug。这一切都关乎软件的质量。虽然在芯片设计领域，工程师对EDA软件已有了极大的忍耐力，但这并不意味着软件质量问题可以被忽视，只一味追求更优异的PPA（Performance, Power, Area，性能、功耗与面积）指标。
在这个四处乱撞的过程中，我逐渐认识到了EDA软件的强大，同时也了解到了它的局限。这工具真是让人又爱又恨。要说爱，EDA软件能将几百万个逻辑单元按照性能、面积、功耗等指标摆得规规整整，极大解放了工程师的双手；要说恨，EDA软件会卡死，会崩溃，会让你好几天都一事无成，甚至还要自己写一堆脚本才能完成任务。有时，你会像参加一场重要的考试一样，反复浏览自己的执行脚本或者设计流程，反复推敲里面的功能和命令，反复检查和识别可能的拼写错误，只是为了EDA软件跑起来后，不会因为人为的失误而白忙一场。
你要知道，即便配备了性能最先进的服务器，一些复杂EDA软件的任务执行时间也是以天来计算的。如果你听到一项任务需要运行一个礼拜的评论，也请不要大惊小怪。
经过几年的磨炼之后，我从该EDA公司离开，加入了一家晶圆大厂的设计服务部门。我摇身一变，成了EDA软件的真正用户。由于对过往工作经历的认知不足，我曾傲慢地认为自己对EDA软件已经了如指掌，用它来做芯片项目，自然能事半
功倍。
然而，残酷的现实将我的自信与傲慢按在地上。实际上，芯片设计项目总会遇到千奇百怪的问题和五花八门的需求。想要在预定的时间内解决这些问题或满足这些需求，往往不能简单地通过调整EDA软件的参数和配置来实现，还需要进行大量的手工重复劳动。因此，面对自己打磨了好几年且爱不释手的软件，我不止一次地产生怀疑：难道，它真的很烂吗？
因此，我只好在调教工具和手工劳动之间不断平衡。有时，我甚至险些耽误了项目进度。当然，我曾就这个问题咨询过一些专家和前辈。在他们的回答中，我似乎感受到了一股源自EDA软件的无力感。渐渐地，我深刻地认识到了一个显而易见的矛盾更复杂的设计挑战与EDA软件处理能力之间的矛盾。我们无法在短时间内解决这样的矛盾，只能硬着头皮用最笨的方法与时间赛跑。五十年前，戈登·摩尔提出的电路智慧（circuit cleverness）概念，即工程师可以通过自身的设计智慧来弥补这个矛盾所带来的鸿沟，EDA软件正是这种智慧的结晶之一。
参与了几个大型处理器项目之后，我再次接到了来自EDA公司的邀请，成了一名EDA软件销售。这是一次始料未及但又水到渠成的转变。有时候，人的视野一旦打开，就很难再关上。
EDA软件的销售，与其说是产品销售，不如说是专业解决方案的销售。在一个大型芯片开发项目中，所使用的EDA软件少则十几种，多则几十种。因此，我所面对的不再是仅针对某个阶段的设计流程的EDA软件，而是涵盖从芯片架构探索、RTL代码开发与验证，到芯片物理设计与签核，乃至整个芯片量产与生命周期管理的EDA全流程软件。
这促使我从更宏大的视角与格局来考虑总体的EDA解决方案。因此，我需要清楚地了解所有EDA软件的应用场景、技术价值、用户团队、使用方式等，同时，还要有理有据地提供专业的EDA解决与支持方案，让客户觉得物有所值。当然，我还必须了解EDA行业的竞争态势，以及未来的行业发展趋势，给予客户更具前瞻性的指导
建议。
于是，我开始不遗余力地在全国各地的芯片设计企业推广EDA软件和解决方案，介绍新功能、新特性，为他们提供帮助和服务。在这个过程中，我体会到了许多未曾有过的乐趣。当然，我也通过自己的观察了解到芯片设计行业的现状、不足与机会。
通过这些年对EDA的一些零零碎碎的思考与体验，我猛然发现了一片亟待填补的空白，这也是本书的成因。当我在脑海里形成这条线索时，似乎有一个陌生而熟悉的声音在对我呼喊：这是你的使命。
为何写作本书
EDA的可追溯历史仅有短暂的四十多年。在美国对华科技脱钩的大背景下，中国如何实现EDA技术的构建与突破，已经上升到了严峻的战略层面。
尽管在20世纪80年代，我们曾经开发出不逊于世界一流水平的CAD系统熊猫系统，但由于一些历史原因和时代背景，我们没能紧紧跟上技术迭代与市场变化，导致在后来的二十年里全方位落后。为此，我们必须问自己几个无法回避的问题：EDA技术真的可以仅靠一国之力构建起来吗？我们真的有赶超欧美EDA技术的积累和能力吗？如果有，我们需要多长时间？要探索这些问题，我认为必须回顾整个EDA的发展历史，从中寻找一些线索和参考。
我特别想强调的是，我们首先必须忘掉今天，全身心地回到EDA发展的历史原点，作为一个冷静的观察者来思考问题。切不可带着先入为主的观念，更不能基于未来进行反向推理，否则将陷入本末倒置的境地。
从20世纪60年代末到21世纪初，美国主导的集成电路设计与制造行业迅猛发展。第二次世界大战结束后，美苏步入冷战阶段，客观上为电子信息科技的发展提供了大背景。军事领域的电子化与信息化应用成为大国必争之地。中程和远程导弹、卫星定位、航空航天、雷达监控、战斗机姿态控制等都依赖信息技术的发展。其中，电路系统的集成化在短时间内将这些领域提升到了更高的发展水平。
随后，为了不断提高生产效率，同时降低成本，整个集成电路产业链都在升级换代。在集成电路发展的早期，CAD（计算机辅助设计）技术极大地提高了工程师的手工设计效率。随着集成电路的数字化转型，其设计规模不断增大，计算机辅助设计已经不足以应对这种趋势的需要，从而使EDA（电子设计自动化）技术脱颖而出，开启了超大规模集成电路（VLSI）的自动化设计之路。
我们今天熟知的EDA三巨头，就是在这样的背景之下诞生的。然而，它们在诞生初期并不代表当时最先进的EDA技术。那时最先进的EDA技术仍旧掌握在英特尔、IBM等公司手中，并不对外商用。到20世纪80年代中后期，大型电子系统公司已经无力运营自己的CAD开发团队。同时，以台积电（TSMC）为代表的晶圆代工市场崛起，对商用EDA软件的需求逐渐增多。
随着先进芯片研发成本的不断提升，大型集成器件制造商（IDM）纷纷转型为无晶圆设计（Fabless）企业。同时，随着移动互联网的兴起，以苹果芯片为代表的自研芯片和以高通、联发科芯片为代表的通用芯片迅速成长，集成电路设计企业和晶圆代工企业从市场需求的角度不断推动EDA技术的发展。这些企业认为商用EDA技术始终无法满足特定应用产品对更高性能、更低功耗的需求。因此，它们在通用EDA产品和流程之上不断构建自己的专用功能和优化算法。这些功能和算法在之后被EDA企业所吸收，封装进了最新版本的EDA软件中。
自20世纪末期EDA三巨头进入中国后，中国集成电路设计行业的设计能力得到了极大提升。然而，作为EDA产品的用户，中国集成电路设计企业还没有能力对EDA提出更高的诉求。主要原因是我们的制造能力还不够强，并且整体的芯片架构和设计能力尚弱。而更深层的原因是，我们没有真正经历过从无到有、从有到强的过程。真正的核心知识（know-how）往往被埋藏在EDA产品和设计流程的深处。这并非故意隐藏，而是因为它们是基础设施和基座，须扒开厚厚的土层才能显露出来。
自2015年起，中美贸易摩擦不断加剧，美国不断升级对华科技脱钩，在这样的背景和基调下，我看到许多评论家、从业者、非从业者和科技博主等谈论芯片、EDA等所谓的卡脖子技术。其中有许多值得赞扬与深思的观点，但仍有不少观点和论断脱离实际。
在这期间，我翻阅了EDA三巨头近二十年的财务报告，发现了很多有趣的事件和线索。为追寻这些线索，我继续查阅了许多20世纪末期发表的科技评论和新闻报道，渐渐形成了几条思路来回顾EDA的发展历程，并将其汇集于本书之中。
客观来说，中国构建和发展自己的EDA技术将非常艰难。但是，中国人从来不会因为艰难而放弃。希望这本书能为中国EDA行业的同行者们点亮一盏引路的灯，为突破美国的技术封锁贡献力量和信心。同时，我也希望这本书能吸引更多的教师、学生、工程师来关注EDA技术，并且深入其中，共同创造中国EDA的新篇章！
本书主要内容
由于线索和内容繁杂，本书的框架和篇章设计经过了多轮修订。最终，我将本书分成技术科普、商业发展、生态环境和未来趋势4篇来探讨EDA的发展。
在技术科普篇中，我将由浅入深地讲解一些基本的EDA相关概念、技术路线、思考逻辑等内容，并通过讲述早期CAD技术的发展引出现代EDA产业的崛起。从中，我们可以了解到底是什么力量在背后推动集成电路和EDA技术的发展，以及这些发展脉络对我国相关技术发展的借鉴意义。
在商业发展篇中，我将详细描述当今EDA三巨头的诞生与创立，并依次从PCB设计、逻辑仿真器、功能验证、物理设计等技术方向挖掘商业并购和市场变化，展现近四十年来的EDA商业史。从中，我们可以清晰地看到并购是手段，而不是目的。如果一定要通过购买来补足相应的技术，我们要知道到底应该买什么。
在生态环境篇中，我将从新千年之后的IP与SoC设计潮流出发，讨论有关EDA和芯片设计的学术与教育发展，深入拆解摩尔定律的经济学意义，进一步讲述EDA市场竞争格局的变迁，以及中国EDA市场的发展前景。随后，将深入讨论晶圆代工、EDA技术标准化、EDA授权模式等内容，为整个生态环境搭建一个相对完整的框架。
在未来趋势篇中，我将从摩尔定律的式微引出异构集成、内存计算、光电子学等新的发展方向。接着，我将重点讨论未来在人工智能、机器学习和云计算的影响下EDA和芯片设计的发展趋势，以及集成电路硬件安全领域的新发展。最后，我将针对几个开放性问题进行深入讨论，并奉上我对EDA的思考，希望能够给我国集成电路和EDA产业带来一些启示。
我真诚地希望这些内容能够让读者全面了解EDA的来龙去脉，并更加清楚地认识到EDA对计算机、电子、半导体领域的影响，从而激励更多的学生和工程师参与到EDA行业中。
本书读者对象
本书讨论的内容需要读者具备一定的半导体和集成电路知识储备，但即使没有这些知识，读者也能有所收获。为了让更多读者了解EDA的历史和商业发展，我在介绍技术发展的同时，更加侧重展示企业、学校、工程师和投资者在这方面的推动作用。因此，读者不会在枯燥的技术知识中感到无所适从。企业家的故事和商业竞争案例会为技术进步的历程添彩。
本书面向的读者主要包括以下几类：
1）半导体和集成电路方向的工程师、管理者，以及相关专业的在校师生等，可以通过了解EDA的历史和商业发展，指导自己的职业选择和专业方向。
2）非半导体和集成电路方向的电子科技类工程师、管理者，以及相关专业的在校师生等，可以通过本书观察EDA行业的发展变迁，建立对EDA更加深刻的认识，从而拓宽知识面，增加知识储备。
3）科技类技术观察者、相关行业的投资者以及科技史爱好者，可以从本书中获得对EDA行业的宏观认识并了解新兴趋势，从而构建行业分析框架和技术溯源，并正确认识中国在相关领域与国际先进企业之间的差距。
本书内容特色
EDA的历史资料实际上非常有限，而且几乎没有中文材料，这给我带来了巨大的挑战。最初的写作提纲与本书成稿有很大的差异，原本积累的一些素材无法拼凑出一幅完整的图景，而新积累的素材总是过于专业，以至于难以提炼出有趣的细节。
为此，我希望本书在传达枯燥的技术知识之时，也能带给读者流畅的阅读体验。因此，在内容呈现的方式上，我最终选择了以人物和事件为驱动。例如，通过葛守仁在美国求学与工作的故事，串起了影响EDA技术发展的人物群像。再通过早期美国EDA企业之间的并购与诉讼，梳理了关键EDA技术的缘起与发展。我希望通过这些人物和故事，让读者身临其境，客观而务实地理解EDA技术的本质及其发展所需的环境动力。
当然，EDA技术并非生长于桃花源中。要培育好它，不仅需要优质而肥沃的土壤，还需要上下游产业提供的肥料。因此，我也会谈及许多关于EDA的非技术内容。例如，早期的EDA教育问题、有关EDA的行业标准化，以及工程经济学带来的摩尔定律问题。我希望这些非技术内容能让读者从多个角度了解EDA，认识EDA，甚至可以将这些思路横向拓展到其他领域。
可以说，这本书是我作为一名深度从业者自问自答的合集。请允许我自私地为读者准备了自己感兴趣的内容。不管这本书是否符合你的胃口，它都是我亲自烹调的菜肴。如果它味道鲜美，自然是好的。若未能达到你的预期，也请不吝赐教。
致谢
首先，感谢那些在本书构思时期提供宝贵思路、素材、故事和建议的同行、师长和前辈们。有了他们如智库一般的加持，我在写作过程中如虎添翼。其次，特别感谢所有未来妄想家的粉丝，他们在背后默默地阅读、转发和点赞，让我知道自己并不孤单。最后，衷心感谢我的妻子潘茜，在我对本书的写作偶尔丧失信心时，她给予我莫大的鼓励与支持。
总之，这本书只是开始，绝不是结束。

前言
技术科普篇
第1章　重新认识EDA　 / 3
1.1　三个角度　 / 3
1.2　早期发展　 / 5
1.3　增长飞轮　 / 7
1.4　本章结语　 / 9
第2章　CAD的诞生　 / 10
2.1　伺服机制与旋风计算机　 / 10
2.2　数控机床与CAD软件　 / 13
2.3　Sketchpad与CAD系统　 / 17
2.4　第一个商用CAD系统　 / 20
2.5　本章结语　 / 22
第3章　CAD的发展　 / 24
3.1　早期集成电路CAD系统　 / 24
3.2　军事应用推动CAD发展　 / 27
3.3　CAD行业全面爆发　 / 29
3.4　UNIX和Windows NT　 / 32
3.5　英特尔公司的早期CAD环境　 / 35
3.6　本章结语　 / 37
第4章　站在EDA山巅的人　 / 39
4.1　早期求学之路　 / 39
4.2　贝尔实验室生涯　 / 41
4.3　来到加州大学伯克利分校　 / 43
4.4　从事EDA教育　 / 46
4.5　对行业的贡献　 / 48
4.6　回到中国　 / 51
4.7　本章结语　 / 52
商业发展篇
第5章　EDA三巨头的诞生　 / 57
5.1　Cadence诞生记　 / 57
5.2　Mentor Graphics诞生记　 / 65
5.3　 Synopsys诞生记　 / 73
5.4　本章结语　 / 79
第6章　PCB设计工具的演变　 / 81
6.1　PCB的起源　 / 81
6.2　Racal和图研　 / 82
6.3　OrCAD和Allegro　 / 85
6.4　PADS和Xpention　 / 90
6.5　Protel和Altium　 / 93
6.6　本章结语　 / 95
第7章　仿真器的起源与定型　 / 97
7.1　SPICE的起源　 / 97
7.2　VHDL与Verilog　 / 100
7.3　Synopsys的首次收购　 / 104
7.4　VCS与并行仿真　 / 107
7.5　Quickturn入局　 / 111
7.6　硬件仿真器三角债　 / 113
7.7　本章结语　 / 116
第8章　质量的守门人　 / 118
8.1　Calibre与三个叛徒　 / 118
8.2　从反击到领先　 / 120
8.3　RTL签核浪潮　 / 122
8.4　Lint检查的起源　 / 123
8.5　静态验证乱局　 / 125
8.6　本章结语　 / 127
第9章　物理设计大战　 / 129
9.1　物理设计的更高诉求　 / 129
9.2　价值连城的bug　 / 131
9.3　快速通道与变形虫　 / 134
9.4　大举收购　 / 136
9.5　打通物理设计的壁垒　 / 138
9.6　岩浆的遗产　 / 139
9.7　华人天团　 / 143
9.8　 ATopTech的陨落　 / 146
9.9　本章结语　 / 149
第10章　IBM EDA自研的巅峰　 / 151
10.1　IBM验证方法　 / 152
10.2　IBM逻辑设计　 / 154
10.3　IBM晶体管级设计　 / 157
10.4　IBM物理设计　 / 158
10.5　IBM制造和测试　 / 161
10.6　本章结语　 / 162
生态环境篇
第11章　IP与SoC时代　 / 167
11.1　什么是IP　 / 167
11.2　IP的起源　 / 168
11.3　IP并购潮　 / 170
11.4　IP-XACT标准　 / 172
11.5　本章结语　 / 175
第12章　EDA/芯片设计的学术与教育　 / 176
12.1　《VLSI系统导论》　 / 176
12.2　美国早期的VLSI教育　 / 178
12.3　英国早期的VLSI教育　 / 183
12.4　EDA教育与MOOC　 / 186
12.5　EDA和芯片设计人才流动　 / 188
12.6　中国集成电路教育　 / 189
12.7　本章结语　 / 191
第13章　摩尔定律经济学　 / 193
13.1　摩尔的预测　 / 193
13.2　摩尔定律与摩尔之墙　 / 196
13.3　牧本浪潮与半导体钟摆　 / 199
13.4　本章结语　 / 201
第14章　EDA市场格局的演变　 / 203
14.1　了不起的1%　 / 203
14.2　30年以来的EDA市场情况　 / 205
14.3　后三巨头时代　 / 216
14.4　中国集成电路设计业　 / 218
14.5　本章结语　 / 224
第15章　IC设计标准化与授权方式　 / 226
15.1　IC标准化组织　 / 226
15.2　如何制定标准　 / 227
15.3　与EDA相关的标准概述　 / 230
15.4　盗版！盗版？　 / 232
15.5　EDA授权模式的变迁　 / 234
15.6　本章结语　 / 237
未来趋势篇
第16章　后摩尔定律时代　 / 241
16.1　摩尔定律的终结路径　 / 241
16.2　芯粒与异构集成　 / 244
16.3　内存计算与非冯架构　 / 246
16.4　光电子与硅光集成　 / 250
16.5　本章结语　 / 252
第17章　机器学习赋能EDA　 / 254
17.1　什么是机器学习　 / 255
17.2　机器学习能为EDA做什么　 / 256
17.3　功能验证中的机器学习　 / 257
17.4　数字电路设计中的机器学习　 / 258
17.5　模拟电路设计中的机器学习　 / 261
17.6　硬件增强与自动化流程　 / 263
17.7　本章结语　 / 265
第18章　云上芯片设计　 / 266
18.1　什么是云计算　 / 267
18.2　EDA与云的适配　 / 268
18.3　芯片设计上云的阻力　 / 269
18.4　可能发生的演变路径　 / 271
18.5　芯片设计上云案例　 / 272
18.6　只有云才能做到的事　 / 274
18.7　本章结语　 / 277
第19章　集成电路安全　 / 279
19.1　什么是硬件木马　 / 279
19.2　硬件木马侦测　 / 281
19.3　可信设计与可信制造　 / 282
19.4　攻击模型分析　 / 284
19.5　机器学习赋能硬件安全　 / 285
19.6　汽车功能安全　 / 287
19.7　本章结语　 / 291
扩展阅读　 / 292
EDA行业大事记　 / 301
后记　 / 306

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