EDA 是什麼？設計晶片的軟體，每一步在做什麼

EDA 是電子設計自動化（electronic design automation）的縮寫，就是設計晶片用的一整套電腦軟體，也常叫 EDA 工具、晶片設計軟體。晶片進晶圓廠之前，要先在電腦上設計好、檢查很多遍；從寫出電路要做的事，到交出去做光罩，每一步都有一類軟體在做。電路板的設計也用 EDA，這篇只講晶片。

設計的流程，「晶片是怎麼設計出來的？」講過；這篇講每一步用哪一類軟體、替人做了什麼。

為什麼不能用手畫？

很早以前，一顆晶片只有幾千個電晶體，圖真的是人一筆一筆畫的。大約在 1970 年代，電晶體多到畫不動，才開始有電腦自動擺放、拉線的軟體。

現在一顆手機晶片有上百億個電晶體。假設只有一百億個，一秒畫一個、不吃不睡，也要畫三百多年。畫完還要檢查每一條線有沒有太近、每一個訊號來不來得及，人更檢查不完。

軟體會自己設計晶片嗎？

不會。晶片要做什麼、多快、多省電，是人決定的。工程師把目標告訴軟體，例如「每一拍最多花多久」（晶片跟著一個固定的節拍動作，叫時脈）；軟體在這些限制裡找做法，交出一份報告。哪裡不合格，工程師要看懂原因，改了再跑。

它像很會算的助手：快、不累，但不知道晶片是拿來做什麼的。

設計的每一步，用的是哪一類軟體？

開頭那張圖上，第 1 步的規格是人定的；下面從寫出行為算起，把「檢查」拆成兩步，最後加上做光罩之前的修正。

第 1 步：寫出行為（硬體描述語言）

工程師用硬體描述語言（HDL）把電路要做的事寫成文字。用文字寫，是因為「每一拍把這兩個數加起來」一行就寫完，畫成電晶體卻是一大片。寫錯了，後面的軟體只會照著錯的做，所以下一步要驗證。

第 2 步：模擬、驗證（模擬器）

模擬器在電腦上假裝電路已經做好，餵它各種輸入，看輸出跟規格一不一樣。在電腦上試，改一行字就能再試；真的做一次晶片，要好幾個月。錯誤一路帶到下線，就得改設計、重做光罩（見「晶片驗證是什麼？」）。

第 3 步：合成成邏輯閘（合成工具）

合成工具把寫好的行為，翻成邏輯閘接成的電路（見「邏輯閘是什麼？」），用的是元件庫：照這一代製程事先做好的各種小積木：邏輯閘，也有記住 0 或 1 的小電路（正反器這類），每一塊多快、多耗電，都先用電路模擬算好、存成表。同一件事有很多種接法，軟體查表比較，在速度、面積、耗電之間挑合乎目標的那一種。人一個一個接，接不完，也比不出哪一種好。

第 4 步：佈局繞線（佈局繞線工具）

這一類軟體把邏輯閘擺進晶片、把時脈送到每一處，再在好幾層導線裡拉線，做出每一層的圖形，叫版圖。擺得好不好很重要：線越長，訊號越慢、越耗電。擺不好，線繞不過去或訊號來不及，只能回頭重擺。

第 5 步：檢查時間和耗電（時序分析、功耗分析）

先從版圖算出每一條線的電阻和電容，再用時序分析把每一條路線最慢的情況算過：每一拍，訊號都要在下一拍之前到。不用一題一題出，所有路線一次算完；偏快、偏慢的角落、溫度高低，每一種都要各算一遍。功耗分析算這顆晶片用多少電、電源線上的電壓會不會掉太多；掉太多，電路會變慢，甚至出錯。

第 6 步：檢查做不做得出來、有沒有畫錯（規則檢查、LVS）

規則檢查軟體把版圖上每一個圖形，跟晶圓廠的設計規則一條一條比，例如兩條線最近能多近；另一種把版圖反推回電路，跟原本的比（LVS）。圖形多到人看不完，只有軟體能整顆比過。違反規則，做出來可能短路、斷線；連錯一條，晶片就不照設計動。

第 7 步：下線（交出版圖檔）

全部過了，把每一層的圖形存成檔案交給晶圓廠，叫下線（見「下線（tape-out）是什麼？」）。光罩廠照這份檔案做光罩，所以下線之後還想改，就得重做光罩。

第 8 步：做光罩之前的修正（OPC）

檔案交到做光罩的這一邊，還要用一類軟體把最細的那些層的圖故意改過，叫光學鄰近修正（見「OPC 是什麼？」）。因為晶片上的線比曝光用的光的波長還細，照原圖印，角會變圓、線端會縮短。不改，印出來的線就可能接不上。

實際上常是改了一步，後面就要重跑，來回好幾次。

晶圓廠的規則，怎麼接進設計軟體？

設計軟體自己不知道某一家晶圓廠的某一代製程能做多細。晶圓廠會把這些整理成一套檔案交給設計的人，常叫製程設計套件（PDK），像一本給軟體看的說明書：

• 設計規則和檢查用的規則檔：給第 6 步的規則檢查軟體用。
• 電晶體的模型：加多少電壓、流多少電流的數學式，給模擬軟體用；通常有中間值，也有偏快、偏慢的幾個角落。
• 每一層的資料：有哪幾層導線、各多厚，給佈局繞線和算電阻電容用。
• 元件庫：有時在裡面，有時由別人照這一代製程另外做。

模型是晶圓廠拿真的做出來的測試結構量過、調出來的；模型不準，軟體算得再仔細，做出來也不一樣。

為什麼要那麼多電腦一起算？

• 東西多：上百億個電晶體，每一條線都要算到。
• 情況多：偏快偏慢、冷熱、電壓高低，每種組合各算一遍。
• 一改就重算：改一個地方，時間和規則常要重算。

所以設計晶片的地方，常有一大群電腦專門跑這些軟體，一件事拆給很多台一起算。電路模擬算到每一個電晶體，最準也最慢，多半只拿來算小塊電路；整顆晶片改用查表的方法，才算得完。

類比電路也是軟體自動畫的嗎？

多半不是。數位電路可以拆成一樣高的小積木讓軟體排；類比電路處理聲音、電壓這種連續變化的訊號（見「類比晶片和數位晶片差在哪？」），每個電晶體多大、擺在哪裡，都會影響結果。

所以類比電路多半用畫圖的那一類軟體：工程師畫電路圖，用電路模擬一遍一遍調；版圖也常一筆一筆畫。畫完一樣要過規則檢查和 LVS。自動畫的工具在進步，但還很靠經驗。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有設計晶片的位子，主線「晶片的一生」從下線之後開始：序章「下線」，助聽器晶片「螢火」的設計交給晶圓廠，做成一套光罩。

第 1 章「12 片怎麼分」，你是研發線的研發整合工程師。遊戲裡看不到軟體怎麼算；這一章，你要決定第一批 12 片裡哪幾片故意做偏快、偏慢，把設計時用模型算過的角落真的做出來，看設計撐不撐得住。第 10 章「待機電流」在封測廠：測試程式的上限，是照設計模擬定的第一版，晶圓邊緣那一圈的晶片剛好卡在上限附近。算的和做出來的，不一定一樣。

遊戲裡的公司、晶片、人物和數字都是虛構的；EDA 在做什麼，照公開的一般資料寫，每家公司的做法不一樣。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。