EDA的认识(eda笔记)

EDA的认识(eda笔记),本文通过数据整理汇集了EDA的认识(eda笔记)相关信息，下面一起看看。

和往常一样，文章的读者仍然定位为没有相关背景的工业软件和EDA行业的软件开发人员，以及对EDA感兴趣的读者。

名词解释

雷达截面

雷达截面

摩尔定律-摩尔定律

片上系统

TSV硅通孔

球栅阵列封装

球栅阵列

SIP - SysteminPackage系统封装

专用集成电路

FPGA -现场可编程门阵列

现场可编程门阵列

电子设计自动化

计算机辅助设计

计算机辅助设计

TCAD技术CAD

涉及半导体技术和器件模拟技术。

电子计算机辅助设计

计算机辅助设计

CEM计算电磁学

计算电磁学

超大规模集成电路

大规模集成化

中央处理器

中央处理器

GPU -图形处理单元

图形协处理器

TPU张量处理单元

张量处理器

网络处理单元

网络处理机

偏微分方程

1.从海湾战争开始

30年前的海湾战争是一场典型的现代化战争。在这场战争中，以美国为首的多国部队，空军用了38天，地面部队只用了100个小时，以微弱的损失赢得了战争。事后有人评论这场战争是“硅芯片对钢的胜利”，这里的“硅芯片”指的是基于芯片的电子信息系统。

在这场战争中，有“爱国者”和“飞毛腿”导弹大放异彩。记得那时候电视上经常报道“爱国者”拦截“飞毛腿”的新闻，有时候还直播。在早期的新闻报道中，爱国者拦截的成功率是90%。后来上报的数据造假，实际成功率只有30%-50%。

海湾战争中，另一颗引人注目的明星，F-117隐形轰炸机。飞机在雷达上的面积甚至比一只鸟还小，几乎可以忽略不计。

飞机的设计理念源于前苏联的一位数学家彼得乌菲莫切夫。1964年，这位数学家在《莫斯科无线电工程学院杂志》上发表了这个标题

“发散的物理理论中的边缘波方法”。翻译过来就是“物理衍射理论中的边波法”。彼得乌菲莫切夫从数学上证明了物体返回的雷达强度与物体边缘的形状有关，而与物体的大小无关，并计算了沿机翼表面和边缘的雷达反射面。结果即使计算面是大飞机，机翼按一定规律设计也能显著降低雷达反射面(RCS)。按照这个规律设计的飞机是气动不稳定的，当时的计算机技术还不能满足飞行和设计要求。20世纪70年代，计算机技术飞速发展，洛克希德公司的分析师发现了这篇论文。与此，DARPA发布了建造“隐形攻击机”的需求，这导致了一系列隐形R&D项目。

现在借助于CAE/EDA等电磁仿真软件，精确建模和大型计算机，我们可以方便准确地计算出F-117和B-2的雷达反射面积(RCS)，并采取相应的对抗措施。

2.概述2。电子设计自动化(Electronic Design Automation)

维基百科解释说，EDA也叫ECAD，是一种用于设计集成电路、印刷电路板等电子系统的软件工具。这些工具用于帮助芯片设计人员设计和分析整个半导体芯片设计过程中的协同工作。由于现代半导体可能包含数十亿个元件，EDA工具对于设计非常重要。

百度解释EDA是指利用计算机辅助设计(CAD)软件完成功能设计、综合、验证和物理设计(包括版图、布线、布局、设计规则检查等)的设计方法。)的超大规模集成电路芯片。

书的一部分EDA是电子设计自动化。

(电子设计自动化)的缩写，是从20世纪60年代中期的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)等概念发展而来的。EDA技术是指基于计算机的电子产品自动设计，它融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理和智能技术的最新成果。使用EDA工具，电子设计人员可以从概念、算法、协议等方面设计电子系统。而且很多工作都可以由计算机完成，电子产品从电路设计、性能分析到设计ic版图或PCB版图的全过程都可以由计算机自动处理。

，EDA远不止这些。所有与电子设备、器材相关的设计、仿真、验证、实验都可以纳入EDA的范畴，类似于CAE。请参考一篇介绍计算机辅助工程CAE的文章(点击链接查看)。从纳米级器件晶体管到IC集成电路，PCB、显卡、收音机、家用电器、手机和电脑、汽车电子系统、天线、大型相控阵雷达都与EDA有关。目前大家对EDA的解读主要在于集成电路设计，属于行业理解范畴，没有问题。，EDA主要是指EDA软件，EDA软件是工业软件的一个子类，也是国内最薄弱的工业软件之一。

3.再来说说薯片

考虑到EDA与芯片密切相关，所以也稍微介绍一下芯片的内容

进一步扩展

上图来自网络。

4.TCAD

TCAD(TechnologyCAD)是一个专有名词，主要涉及半导体领域晶体管的器件模拟和工艺模拟。

金属氧化物半导体场效应晶体管

金属氧化物半导体场效应晶体管

鳍式场效应晶体管

GAAFET:全栅场效应晶体管(全栅场效应晶体管)

CMOS:互补金属氧化物半导体晶体管互补金属氧化物半导体，不同于“光敏元件”

上图来自网络。

其中，2022年8月，美国商务部限制的EDA软件专门用于GAAFET晶体管的设计和仿真，可支持3 nm工艺。

TCAD软件是晶体管器件的设计模拟和工艺模拟。晶体管的作用主要是在物理层表示数字1和0。模拟对象是一个异形结构，其理论基础是通过调节器件中电子和空穴的状态来表征不同的特性。电子多数载流子的半导体是N型，而空穴多数载流子的半导体是P型。一个P型和一个N型可以形成最简单的pn结，pn结具有单向导电性，这是很多器件使用的基本特性。工艺模拟是针对晶体管制造工艺的，包括光刻、刻蚀、粒子注入等的模拟，这里就不进行了。

TCAD数值计算中的PDE是一个漂移扩散方程，用来描述半导体中载流子的运动规律。它描述了两种运动扩散电流和漂移电流。扩散方程和泊松方程可以一起用来计算半导体中的电势分布和载流子浓度分布。该模型应用广泛，属于半经典模型。

摩尔定律

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登摩尔的经验。其核心内容是一个集成电路所能容纳的晶体管数量每18到24个月就会翻一番。换句话说，处理器的性能大约每两年翻一番，而价格下降到以前的一半。

简单理解就是单位面积晶体管越多，计算能力越强。下图显示了不期英特尔处理器上的晶体管数量。横轴是时间，纵轴是晶体管数量。

有关晶体管的更多信息，请参考

晶体管发展史(点击链接查看)

，TCAD在EDA领域可以认为是一个非常细分的领域，国内外玩家都很少。Sentaurus和Slivaco是市场上的两个主流软件。

5.复习电磁波

1864年，英国科学家麦克斯韦在前人对电磁现象研究的基础上，建立了完整的电磁波理论。他得出电磁波存在的结论，并推断电磁波的传播速度与光相同。

1887年，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。然后在1898年，马可尼进行了多次实验，不仅证明了光是电磁波，还发现了更多形式的电磁波。它们的本质完全相同，但波长和频率却大相径庭。

电磁波有三个属性，即振幅(强度、光强)、频率(波长)和波形(频谱分布)。对于可见光，这三者分别对应光色的亮度、色相和色度。对于单一频率的电磁波，也有初相的概念，其波形为正弦(余弦曲线)，称为正弦波(余弦波)。电磁波的波形越接近正弦波，它的

电磁波的一个重要属性是频率，频率可以决定电磁波的各种性质。，描述电磁波的频率，不一定要用频率本身，也可以是一个与频率有关的物理量。常用的有波长(如无说明，默认为真空中的波长，与频率成反比)、光子能量(与频率成正比)、波数(波长的倒数，与频率成正比)，默认为。

电磁波理论的建立和完善是电子系统设计的重要理论基础。

以上信息来源于网络。

6.电磁数值计算方法

计算电磁学(CEM)是研发过程中最复杂的物理领域，比CFD和计算材料学更难。计算电磁学的复杂性主要表现在物理场抽象、计算规模大、解多，涉及大量底层技术知识。不同频率的电磁波特征完全不同。电磁解的偏微分方程是麦克斯韦方程

解电磁学可以分为三类解析法、数值法、半解析半数值法。

时域法和谱域法

电磁学的数值计算方法可以分为两类时域方法和频域方法。

方法按时间推进时域麦克斯韦方程，求解相关场量。最著名的时域方法是时域有限差分法(FDTD)。这种方法通常适用于求解外部激励下的瞬态变化过程。如果使用脉冲激励源，可以通过一种解决方案获得宽频带中的响应。时域方法精度可靠，计算速度较快，能够真实反映电磁现象的本质，特别是在短脉冲雷达目标识别、时域测量、宽带无线电通信等研究领域。

频域法以时间谐波微分和积分方程为基础，通过n个均匀频率采样值的逆傅里叶变换得到所需的冲激响应，即研究时间谐波激励条件下无限时间后的稳态场分布。使用这种方法，每次只能得到一个频率点的响应。以前这种方式被广泛使用，大多是因为信号和雷达一般工作在窄带。在获取复杂结构的时域超宽带响应时，如果采用频域方法，需要在一个较大的带宽内，在不同的频率点进行多次计算，然后利用傅里叶变换获取时域响应数据，计算量较大。如果直接使用时域方法，可以一次性得到时域UWB响应数据，大大提高了计算效率。特别是时域方法可以直接处理非线性介质和时变介质，具有很大的优势。时域内的方法使电磁场的理论和计算从处理稳态问题发展到处理瞬态问题，大大扩展了人们处理电磁现象的范围。

频域方法可以分为基于射线的方法和基于电流的方法。前者包括几何光学(GO)、几何衍射理论(GTD)和均匀衍射理论(UTD)等。后者主要包括矩量法和物理光学法等。基于射线的方法通常通过光传播的方式来近似电磁波的行为，考虑撞击平面后的反射，通过边缘、楔形和曲面后的衍射。，这些方法都是高频近似法，主要适用于目标表面光滑，对于工作频率可以忽略其细节的那些情况。，它们对于近场模拟不够精确。另一方面，基于电流的方法一般求解目标在外部激励下的感应电流，然后求解感应电流产生的散射场，而实场是激励场和散射场之和。基于电流的最著名的方法是矩量法。矩量法严格基于积分方程，在数值上是精确的。实际上，我们无法判断它是低频方法还是高频方法，但元素数目未知的矩量法所需的存储空间和计算时间的快速增加阻止了它在高频情况下的应用，它不得不局限于低频到中频的应用。物理方法可以看作是矩量法的近似，它忽略了子散射元之间的相互耦合。这种近似适用于大而平滑的目标，当目标包含带有边缘、楔形和拐角的部件时，它就失效了。，对于形状简单的物体，PO法仍然是一种常用的方法。毕竟它的求解过程很快，所需存储空间很小(O(N))。

积分方程法和微分方程法

从方程形式上可以分为积分方程法(IF)和微分方程法(DE)。与DE法相比，IE法具有以下特点IE法解区域的维数比DE法少一维，误差限于解区域的边界，精度高；(2)IE方法适用于求解无限域问题，而DE方法用于求解无限域问题时会遇到网格截断的问题；(3)3)IE方法生成的矩阵是满的，阶数小，而DE方法生成的矩阵是稀疏的，阶数大；(4)IE方法难以处理非均匀、非线性、时变的介质问题，而DE法则可以直接应用于此类问题。所以解决电磁场工程问题有四个出发点频域积分方程(FDIE)、频域微分方程(FDDE)、时域微分方程(TDDE)、时域积分方程(TDIE)。

计算电磁学也可以分为基于微分方程的方法和基于积分方程的方法。前者包括FDTD、时域有限差分法、频域FDFD和有限元法。在微分方程的数值方法中，未知量理论上应定义在整个自由空间中，以满足无限远处电磁场的辐射条件。但由于计算机存储能力有限，人们引入吸收边界条件等价于无限远处的辐射条件，使未知被局限在有限的空间内。即便如此，涉及的未知数仍然是巨大的(与边界积分方程相比)。，由于偏微分方程的局部化，场在数值网格的传播过程中形成频散误差。研究区域越大，色散累积越大。大量的未知数和数值耗散问题使得微分方程方法很难分析电大目标。至于有限元法，早期的基于节点的处理方法可能会因为插值函数的导数不满足连续性而导致不可预测的伪解问题，使得这种在工程力学中非常成功的方法在电磁学领域无法大显身手。直到一种基于边缘的处理方法的出现，才解决了这个问题。电磁分析中FEM-edge元素的元素(2-3)(点击链接查看)。同样，电磁有限元的高阶单元可以提高计算精度，降低网格要求。

积分方程法主要包括基于边界积分方程和体积积分方程的各种方法。与微观分类法不同，其未知元素通常定义在源区。比如对于完全导体(金属)，未知元素只存在于表面，显然比微分方程法少很多。通过引入格林函数，电磁场在无穷远处的辐射条件被解析地包含在方程中。场的传播过程可以用格林函数精确描述，不存在色散误差的累积效应。

以上内容来源参考一篇文章《计算电磁学导论》(点击链接查看)，其主要内容也来源于网络。

7.7 .多物理场分析。电子设计自动化(Electronic Design Automation)

除了器件仿真、电路仿真和电磁仿真，多物理场的仿真在EDA中也是必不可少的，包括

1.机械分析

手机在跌落时很容易损坏手机中的电子器件，需要进行动力学分析，确保手机中的电子器件在冲击载荷下仍能正常工作。火车、飞机等设备在高速运动时的振动很容易导致电子器件脱落失效，这也是力学分析的重点。它的主要工具有前面提到的显式动力学软件LSDYNA，Altair的开源openRadioss和Abaqus的显式模块等。

2.热分析

热分析是电子器件分析的重点。据统计，约80%的电子设备出现故障，只是烧坏了，而不是“磨损”了。原因是电子设备工作时处于高温状态。，温度越高，芯片的工作效率越低。，控制工作温度是电子器件设计的重中之重。通用CAE软件可以进行热分析，这是工业软件仿真最基本的功能。

3.热应力

电子器件的温升不仅影响器件本身，还会改变电路特性。，由于温度的变化，会产生额外的热应力，导致器件损坏或脱落，这也是力学分析的重点。热应力耦合是最基本的多物理场模拟。

4.计算机流体动力学（ computational fluid dynamics）

芯片内的CFD分析主要是针对散热，与一般的CFD计算相比，计算模型比较简单。CFD和电路热分析也是典型的弱耦合分析。

8.电路理论和设计内容

集成电路和印刷电路板

IC(集成电路)泛指集成电路，是一种微电子器件。集成电路的制造过程是将一个电路中所需的元器件和布线相互连接，并制作在一个或几个小的半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个封装体内，成为具有所需电路功能的微结构。

PCB(印刷电路板)，又称印刷电路板，是电子元器件电气互连的载体。印刷电路板从单面板发展到多面板，性能越来越强大，在智能电子设备的生产中发挥着重要作用。

上图来自网络。

待续

9.R&D人员需要知道什么？

上图是多次提到的工业软件研发内容，也与EDA研发内容高度一致。比如CST和HFSS都需要三维几何内核和显示引擎。使用有限元方法需要网格系统和求解大型线性方程组。设计无一例外需要优化算法，比如布线、参数扫描等。而类似的扫频功能自然适用于HPC高性能计算。人工智能已应用于PCB布线功能。

鉴于EDA内容繁多，根据反馈和实际情况做如下介绍

SPICE模型

信号完整性SI

s参数

电源PI

高频电路

天线系统

三维微电子封装

前端设计

后端设计

EDA的技术难点

EDA的未来发展趋势

强调，文件的出台主要是针对工业软件的R&D人员，属于科普性质。，许多领域的描述并不详细或准确，特别是

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