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CAD的定義和框架
百度百科定義的CAD (Computer Aided Design)：計算機輔助設計，指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。
此定義比較適合各種工程設計領域，到了芯片設計領域，以上定義已經無法涵蓋CAD的功能和職責了。
在每個芯片設計企業裡，對CAD的理解都會有所不同，但是總結其共同點，我認為以下的描述會更加準確和通用：
芯片設計領域中的CAD是一種支持和輔助芯片設計人員進行安全高效設計工作的活動集合，這裡的CAD活動具體是指最大化利用IT資源、設計工具、IP和工藝庫等幫助設計人員進行設計工作。
因此，CAD和IT架構以及芯片設計密不可分，他們之間的關係用下圖表示會比較直觀：
其中IT資源包括了芯片設計企業為了芯片設計工作搭建的IT架構中所有硬件及系統資源，比如網絡，各種應用服務器，存儲，高性能計算服務器（HPC），Unix/Linux系統，作業調用系統等。
而設計工具除了我們常用的三大廠商提供的EDA工具以外，還包括了其他各種EDA工具、文件版本管理工具以及各種設計流程中定製設計包。
我們可以把CAD的工作分為以下六個模塊（下圖紅框內），CAD通過這六個模塊的工作達到其目標。
- 設計數據管理
設計數據是整個設計任務的載體，往往存在於IT架構的存儲裡。設計數據包括設計過程中涉及到的所有信息數據，比如：項目數據，IP，EDA工具，工藝庫等等。作為一種標準的信息數據，它遵從信息數據的生命週期規律。因此對設計數據進行準確的分析和標準管理就是此模塊的主要任務。
- 許可證管理
在整個設計過程中，EDA工具的許可證費用往往會佔據整個設計成本的絕大部分，因此如何利用EDA工具廠商提供的各種許可證銷售策略、工具使用監控、動態資源管理及分配策略以及並行運行的多個項目週期曲線的疊加，儘可能採購合適數量的許可證和優化部署/管理工具許可證，從而使得工具利用率最大化以達到節約設計成本的目的。
- 計算平臺管理
隨著設計工作的細分，不同的設計作業會同時在IT計算平臺運行，從而造成對計算資源的爭奪。計算平臺管理的主要任務是管理計算資源和合理分配設計作業使得最大化利用計算平臺。一般現在採取動態資源管理工具來實現這個任務，市場上比較常用的是IBM的LSF，Oracle/開源的SGE。需要注意的是，在使用此類工具時，其中定義的隊列和控制參數應該會隨著項目的推進和資源使用狀況進行微調，從而達到最優使用目的。
- 工具管理
半導體行業最上游的EDA供應商所提供的EDA工具直接影響了設計工藝和設計自動化的可實現性，是整個芯片設計生態環境最為重要的一環。因此工具管理對於芯片設計來說，也是至關重要的，工具管理主要涉及到工具安裝，配置，版本管理以及使用等方面。在CAD服務框架中，CAD還需要幫助設計工程師正確使用工具並對使用過程中出現的錯誤進行分析甄別，確保工具使用最優化。往往工具管理模塊和設計數據以及使用證管理模塊密不可分。
- 設計流程管理
在設計項目立項之初，芯片設計企業會根據設計工藝去選擇Foundry或者是EDA供應商提供設計流程。但是這種設計流程是針對市場上大多數用戶制定的，因此留下了相當的冗餘。CAD應該根據企業自身芯片設計的要求對設計流程進行優化從縮短設計週期以提高生產力。這種優化包括了對原設計流程各節點有效性的驗證，節點工具的選取，設計包的定製以及整個設計流程有效性的保證。
- 設計環境管理
對於每個設計工程師來說，以上5個模塊都是透明的，是整個設計項目統一管理部分，設計工程師能直接感受到的就是設計環境。對於設計工程師來說，好的設計環境是指所有的設計資源都能方便得到和使用，比如：工具，IP，設計包以及計算平臺等，這也是設計環境管理的目標之一。
對於設計項目小組來說，使用驗證過的設計流程以及項目組保持統一設計環境避免環境不一致造成設計錯誤也是非常重要的，這也是設計環境管理的目標。
CAD的發展和國內現狀（差距）
芯片設計在發展最初，電路比較簡單，對計算能力的要求也不高，往往一個芯片的設計工作可以有一個或者幾個工程師在單臺工作站上完成。
但隨著工藝越來越先進，電路也變得越來越複雜。尤其是數字電路的快速發展（摩爾定律：集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一倍），使得芯片設計工作不僅對IT架構提出了更高的要求，也促使各EDA工具廠商推出更多更強的設計工具，並且產生了設計流程的概念。
現在一個複雜的芯片設計項目中，設計團隊少則幾十人，多則幾百人。在整個設計項目中，一個設計工程師只能充當其中的一個或者幾個角色，其承擔的設計工作也只是整個設計流程中的一個節點，每個工程師只知道自己所做的設計節點的設計任務和目標，芯片設計工作前所未有的進行了細分，絕大部分的設計工程師對整個設計流程沒有清楚的概念，於是掌握整個設計流程的CAD應運而生。
如上所說，當芯片設計工作進行了細分，設計團隊規模變大，使得很多設計任務會在芯片設計企業的IT資源上同時運行EDA工具，從而造成了IT資源和設計工具的不足。因此如何讓整個設計團隊最大化地利用IT資源和設計工具順利的跑完整個設計流程就成為了芯片設計企業最大的問題，這個也是CAD的職責和目標。
歐美公司在20多年前就已經意識到了這個問題，從而誕生了CAD職能部門。現在所有的知名國外半導體公司都設有專門的CAD部門，例如：Intel，NXP，ST，AMD等。作為公司設計部門最強有力的支持者，CAD部門一般承擔了以下職能：設計流程和環境的標準化制定和管理，計算平臺的標準化制定和管理，設計工具管理和許可證採購/使用策略制定，設計數據管理策略制定。
因此，在國外半導體公司中，CAD在公司的設計方向和實現上都起著舉足輕重的作用，公司會投入大量的財力和人力去建設CAD部門，使得CAD部門能提供最優的設計流程和資源配置，從而縮短設計項目的週期，幫助產品部門贏得市場。
相比國外半導體公司20多年CAD的歷史，國內大部分芯片設計企業在CAD上還有非常大的差距，此部分在上篇“國內半導體差距之IT/CAD篇”的“CAD管理體系的差距”中有詳細描述，差距主要表現在以下3個方面：
1.技術差距
從整個半導體的發展歷史來看，芯片設計的先進技術一直由國外半導體企業掌握，中國在半導體行業還處於跟隨階段，和國際先進的技術還有一定的差距，主要差距是：
- 芯片設計技術
芯片設計是一個非常複雜的過程，其主要的工作就是設計流程和流程中各個節點的實現，也就是大家所說的設計方法和設計工具。設計技術不僅和設計工藝有關，還和芯片本身應用有關。目前推動和掌握先進的芯片設計技術都是EDA供應商（尤其是3大DEA供應商）以及國外的foundry。
因此，國內的EDA供應商也應該緊跟半導體技術發展，開創並研發出適合新的應用芯片的設計工具及流程。
- 芯片設計工藝
芯片設計工藝的差距主要表現在工藝製程和半導體材料2個方面。
在TSMC大步挺進3nm的時候，作為國內最大的Foundry，SMIC還在7nm的工藝研發上辛勤地耕耘，其差距顯而易見。但是隨著國內半導體政策的扶持以及芯片設計公司的快速成長，相信這種差距會快速縮小。
隨著市場對高溫、高頻芯片需求的不斷增長，國外半導體企業也加大了對以SiC，GaN，ZnO為代表的第三代半導體材料的研發。三星、意法半導體、英飛凌等公司在新材料上投入大量資金以求擴大在半導體照明、功率器件、微波器件以及激光和探測器等應用領域的市場佔有率。
國內在第三代半導體材料上起步比較晚，相對來說技術水平比較低，但是我們也欣喜地看到在國內半導體同仁的共同努力下，我們在這方面正在縮小差距，2017年底珠海的8英寸硅基GaN產線開通，表明我國半導體生產行業在第三代半導體材料的競爭中正在努力趕超國外先進企業。
- CAD理論體系
由於歷史原因，國內的芯片設計企業對CAD的認識並不統一，很容易將CAD的職責和目標搞混淆，更別說有統一的CAD理論體系了。這個體系的缺失對國內芯片設計行業發展來說是個巨大的阻礙。設想一下：當賽場上的賽車手（芯片設計部門）和跑道（IT架構和服務）都在努力趕超對手的同時，如果輪胎（CAD服務）沒有跟上的話，我們離趕超的目標將會越來越遠。
在這裡，希望通過此文的CAD定義和框架以及CAD管理諮詢方法論的論述彌補這塊空缺，為國內CAD理論體系的建立打出第一槍。
由於CAD服務本身的複雜性，CAD理論體系需要大量的有志同行一起來建立，使得理論體系更加通用和有操作性。
正視這種技術差距，通過技術引進和理論研究，差距應該會很快縮小。
2.人才差距
- 專業CAD人員缺失
和國外半導體公司相比較而言，在國內企業中，除了屈指可數的幾家大型半導體公司，例如海思，有專門的CAD部門以外，CAD職能基本上都由設計人員或IT兼任。這種現象導致在設計過程中，由於兼職的CAD人員知識的侷限性和管理體系的缺失，使得設計流程或設計環境都是臨時制定而成，缺乏統一性和規範性，喪失了標準設計流程的高複用性，最終導致IT資源，設計工具以及大量的人力資源的浪費，增加了設計項目的週期和產品上市時間的不確定性。
鑑於這種情況，建議芯片設計公司能夠設立專門的CAD部門或者引進具有CAD服務資質的外部資源將CAD服務框架完整地在設計過程中呈現，從而提高設計效率。
- CAD人員知識缺失
現代芯片設計是個非常複雜的過程，CAD必須緊跟設計項目，提供最優的IT架構、許可證管理、設計數據管理、工具管理、設計環境和流程管理等一系列的服務，為芯片設計保駕護航，因此對從事CAD的人員要求也非常高，一般來說，一個合格的CAD人員必須具備以下的知識：
IT架構
芯片設計
Linux/Unix系統
EDA工具和數據庫管理
項目管理
腳本編寫
交流溝通能力
快速學習能力
無論是國外半導體企業或者是國內已有專職CAD的芯片設計企業 ，我們發現了一個有趣的現象：一個能獨擋一面的CAD人員從業至少超過5年。因此，CAD人員的經驗非常重要，豐富的CAD支持經驗將會對整個設計項目帶來非常大的幫助，甚至對項目週期起著至關重要的作用。
對於國內CAD巨大的差距，我們希望能建立一套完整的並對CAD工作有指導意義的理論體系，培訓專業人才，通過不斷的行業教育來幫助國內的CAD迅速成長，從而讓芯片設計能真正安全地高速地行駛在“發展中國半導體“的跑道上。
3.理念差距
在接觸到很多國內芯片設計企業以後，我發現以上的2大差距在行業內已達成共識，行業的許多有識之士都在通過自己的努力縮小差距，在各自專業努力的同時，大家對CAD的認識非常有限，甚至是錯誤的。
以下會通過3個和CAD密切相關的人員的角度來進行分析：
- 設計人員理念
作為芯片設計流程各節點的實現者，其作用不言而喻。但是由於現在芯片設計工作的細分，所有設計人員只對自己所在節點比較熟悉，對其他節點上的同事工作並不瞭解。對於設計人員來說，在設計工作的每一個時刻都能得到足夠的設計資源進行設計工作是一種非常理想的狀態，也是幾乎不可能達到的狀態。
在現實生活中，設計工作人員經常會碰到資源不夠而使設計工作無法完成的情況。這時，所有設計人員將會陷入和其他同事爭搶資源的尷尬境地。
另一個尷尬的局面可能會是所有設計流程手動進行，設計人員在和其他同事傳遞數據時發生錯誤，自動化設計流程就可以化解此類尷尬局面。
還有很多類似的情況每天在設計人員的工作中上演，但是設想一下：如果CAD事先能根據項目計劃表進行好資源規劃，自動化流程，統一設計環境，設計人員的工作效率一定會大大提高。所以設計人員應該和CAD緊密配合，提前告知需求，在CAD人員的幫助下進行設計工作。
- IT人員理念
IT人員作為芯片設計企業的IT資源管理者，對IT架構非常熟悉，但往往他們缺乏芯片設計知識，對芯片設計人員的需求不能很好的理解。因此經常會看到IT人員每天像救火隊員一樣，解決了這個設計人員的資源不夠的問題又造成了別的設計人員資源短缺的問題。整天疲於奔命，但是收效甚微，還經常被設計人員投訴。
從CAD的角度來看，所有IT資源問題都不是個體問題，在解決此類問題時，不僅要考慮問題本身，找到問題根本原因提出解決方案，更要考慮解決方案是否會給整個設計項目帶來影響。
IT架構是服務於芯片設計項目的，因此瞭解芯片設計以及設計項目不同階段的資源需求，提供合理資源才是IT真正的價值所在。
這裡，CAD會將設計人員的需求進行分析並翻譯為IT層面的需求，使得IT提供的支持能夠真正滿足芯片設計項目。
- 管理人員理念
管理人員碰到最多的問題就是設計人員每天抱怨設計資源不夠（IT資源和工具許可證）致使成本不斷提高和項目一直延期。在國內很多芯片設計企業裡，管理人員為了節約CAD人力成本，讓其他的技術人員兼任CAD工作。
這種折衷的做法往往使得CAD的職責和目標不能充分體現，造成了芯片設計過程中出現各種各樣的問題。如果企業能夠使CAD發揮應有的作用，其帶來的經濟效益遠遠超過了節約的人力成本。
因此，所有管理人員要對CAD的價值有正確的認識，最好是在芯片設計之初就能搭建起一套完整的IT-CAD-Design的架構，這樣才能保證所有設計任務在設計過程中快速前進。
這個對CAD價值的認知過程在國外半導體企業20年前就已經經歷了，我相信隨著國內芯片設計企業的不斷髮展，對CAD的需求會變得更加日常。現在我接觸到的很多芯片設計企業已經發現了CAD方面的巨大差距，並且正在尋找幫助縮小差距的方法---CAD管理諮詢。
如何彌補差距
在過去的一年 ，我接觸了許多設計團隊，與他們交流國內CAD的現狀與差距。這些團隊中有兩類情況，第一類是初創團隊，第二類是成熟團隊。
初創團隊：在初創期的設計團隊，他們往往手頭上多少掌握在以前公司工作的開發經驗，對設計流程和工具等有基本能跑通的能力。從第一顆芯片起家，對於他們來說，第一顆芯片是否能順利TO，關係到團隊的生死存亡。因此在起步階段，IT能work就行，EDA能run起來就行，加快芯片的設計驗證才是生死時速。在荊棘中前進，在坑窪地戰鬥，是這些團隊的生動寫照。與他們聊起CAD管理來說，基本上是無從談起。
成熟團隊：成熟團隊往往已經邁過生死線，基本上已經經過多年的芯片迭代，手上有著多顆以上的量產芯片，也形成了完整的設計研發流程。隨著工藝製程的提升，工具的更新，設計複雜度的增加，這時候才開始真正思考如何通過CAD管理的優化來進一步提升研發設計的效率。
如前一章節所述，由於國內半導體行業的CAD發展和現狀存在全方位的巨大差距，全行業想要整體上邁過這道坎並非易事，這的確是需要龍頭公司的帶領，逐步積累，人才積累各方面的完善，才能逐漸補上這塊短板。
對於成熟設計團隊來說，他們往往需要基於現在的研發環境進行全面系統的分析和調研，並且結合IT基礎架構環境的情況，分階段設定優化目標，針對具體的目標，逐步進行改善和優化。CAD的優化過程其實是一個管理體系的優化過程，我們可以參考以下的諮詢項目方法進行有效的優化。
CAD管理諮詢方法論
- 階段一
CAD優化是一個至上而下的管理優化工作，需要成立專門的項目團隊，包括設計人員、CAD人員、IT人員等參與其中，確定CAD優化的目標和範圍。項目團隊對現有的設計環境各個方面進行詳細的調研，有必要設定調研分析的提綱和表格，對各個設計環節以及IT基礎架構進行有序的調研與分析，找出設計環境中存在的關鍵問題，而不一定是全部問題，並與各團隊負責人確定調研結果的有效性。最後是基於現有的實際情況，如項目進度和IT基礎架構情況等，選擇核心的管理優化指標（Indicator），制定優化方案，並取得各設計團隊以及管理層的認可。
- 階段二
接下來按照設定的管理優化指標，以及確定的優化方案，從四個方面從下至上逐步實現進行逐步實現。
- IT基礎架構優化實現
從IT基礎架構上進行必要的補充和調整，尤其是各個Platform的監控工具。監控工具將會提供充分的數據，來支持也驗證後面設計環境優化的效果。
- 數據結構優化實現
研發數據種類包括IP、PDK、EDA、項目數據、用戶數據等，需要進行合理的梳理，以及與中央存儲的部署進行結合，對於權限管理、IOPS優化、數據分層、數據備份等都非常重要。
- 設計流程優化實現
針對預設的管理指標，對設計流程進行優化工作，包括工具鏈的測試與定義、工具的運行平臺優化、數據處理與分析自動化等，這會涉及到一定量的腳本開發工作。
- 設計環境優化實現
針對預設的管理指標，對設計環境進行優化工作，包括設計環境標準化、自動化配置、job合規與自動化等，這也會涉及到大量的腳本開發工作。
每個環節的優化實現，都需要與對應的方案和管理人員進行充分的驗證和確認。
- 階段三
以上優化環節完成後，需要進行綜合的彙總和彙報，並組織培訓工作，包括IT培訓、CAD培訓、管理培訓等內容。同時，對原定優化管理指標，還需要通過監控工具進行持續的監控，通過數據分析驗證以上工作的有效性，以及持續發現優化點。
CAD優化是一項持續改進工作，需要隨著芯片的迭代而不斷進行迭代式優化的管理過程，很難一蹴而就，需要運用合理的管理方法和IT手段逐步改進。
國內的CAD管理水平相對落後，這也是與芯片的發展階段相適應的，隨著芯片發展的需要，結合IT技術的進步，國內的芯片研發環境，包括IT和CAD，都將會逐步完善。我在前文發過一篇文章：集成電路IT/CAD設計環境今日與未來，對國內的IT/CAD環境做了一個規劃，鏈接到本文，作為結束語。
