集成电路物理设计是整个芯片设计流程上最“沉重”的环节。
首先，它桥接了电路设计的逻辑世界和物理世界，也是整个设计流程中最渴求图形界面的地方。
其次，它所涉及到的算法非常多，遭遇的挑战也同样多，往往运行时间也更长，因此给工程带来了极大的麻烦。
再次，它对工程师的理论知识和操作能力提到了更高的要求，要在海量的数据和选项中寻找一条可能的实现路径。
最后，它也是设计流程中最贵的环节。物理设计 EDA 软件本身价格高昂，能驾驭它的工程师本身就不多，因此弥足珍贵。
本章将讲述集成电路物理设计流程和 EDA 工具的演变，回顾一场旷日持久的诉讼战是如何塑造了今日物理设计工具的竞争格局。
9.1 物理设计的更高诉求新世纪前后几年，集成电路物理设计开始变得复杂。随着芯片设计集成度的不断提升，物理设计过程中要处理的逻辑单元数量达到了前所未有的百万级别，而在不远的未来仍将快速增长。
Synopsys 在上世纪末一直尝试从逻辑综合向后覆盖到物理设计，希望能打通数字集成电路设计的全流程。
为此，Synopsys 将 Design Compiler 产品所在的逻辑综合部门扩展成了综合与设计规划（Design Planning）部门，并于1998年收购了 Everest 公司，希望借助该公司的布线（routing）技术切入物理设计领域。
设计规划（Design Planning）这个概念跟今天的芯片布局（Floorplanning）比较像，它是为了对大规模芯片的布局进行规划，从而实现最优的PPA（Power、Performance 和 Area）。
简而言之，如果你将两个逻辑关系比较紧密的功能模块放在相距较远的地方，由于工艺的不断演进，电阻对信号延迟的影响越来越大，很有可能导致时序的不满足，从而使得功能失效。
因此，无论是Synopsys还是Cadence，都在此时提出了逻辑设计和物理设计之间的鸿沟(Gap)问题，成为未来几年EDA行业亟待解决的问题之一。
1999年，Synopsys 提出了“设计师生产力差距”（Designer Productivity Gap）和“硅性能差距”（Silicon Performance Gap）的概念来阐述未来将面对的设计挑战。
简单来说，前者表达了工程师人力资源的匮乏（很多人在当时转投了互联网），而后者表达了晶体管特征尺寸缩小后，与潜在可以实现的新技术产生了差距。
这意味着，我们明明可以用更新的晶体管特性来实现更优异的芯片性能，但 EDA 能力还跟不上工艺的变化，从而拖了后腿。
由此，Synopsys 在 Design Compiler 的基础上推出了 Chip Architect、FlexRoute、Physical Compiler 等工具。
其中，Chip ARChitect 脱胎于 Floorplan Designer，用于对芯片规模进行评估和顶层规划；FlexRoute 用来完成一些顶层的布线；而 Physical Compiler 是针对一些数据路径基于物理情况来完成高质量的逻辑综合。
另一方面，2000年，Cadence 提出了SP&R的概念，将综合（Synthesis）与 P&R（Placement & Routing）融合起来，试图通过一些技术手段来弥合逻辑和物理之间的设计差距。
因此，Cadence从自家物理设计工具 Silicon Ensemble 出发，往前推出了Physical-knowledge Synthesis(PKS)来整合逻辑综合与物理设计之间的环境。
然而，这个整合过程异常的困难。
同时，随着大量无晶圆设计企业的出现，集成电路设计行业也形成了以Synopsys IP、逻辑综合，搭配 Cadence 物理设计和验证为格局的主流设计方案。
9.2 价值连城的 BUG1995年，Cadence基于此前的 Ensemble 系列布局布线产品，推出了更加完善的方案—— Silicon Ensemble。
这款新产品的最大特色是嵌入了当时业内性能最强的QPlace 布局引擎。不过，Silicon Ensemble 也并非没有竞争对手。
时间回到1991年，有四位来自 Cadence 的高级技术工程师离职（主要是华人）成立了 ArcSys 公司。
当时，ArcSys 的产品目标是集成电路物理设计中的布局布线工具。这与 Cadence 的产品目标方向是一致的。而且，ArcSys 公司在很短的时间内就推出了相关产品，这让 Cadence 对其“刮目相看”。
于是，Cadence当时的CEO Joe Costello招来自己最得力的干将，也是当时 Cadence 副总裁之一的Gerald Hsu，成立专项小组来应对ArcSys的竞争。
这个专项小组有一个有趣的名字，叫“AK47”，意思就是在47周内干掉ArcSys！
这个小组里，不仅仅有专业的技术人员，同时也有市场和销售人员。很显然，Cadence 希望能在技术上和市场上都不给 ArcSys 公司留下任何余地。
Gerald Hsu采用的手段不仅仅限于技术和市场，他甚至派人专门去调查 ArcSys 公司员工的移民状态，但凡发现非法移民嫌疑就上报给移民局，毕竟该公司当时以华人居多。
三管齐下，很快，ArcSys 就被逼到了悬崖边，财务状况非常不好。
1994年，ArcSys 公司已经濒临*。Gerald Hsu的办事能力毋庸置疑，但是这种不择手段的方式，以及咄咄逼人的性格，让他很难与研发团队搞好关系。
不仅仅在针对 ArcSys 公司的事情上，Gerald Hsu在很多方面都明里暗里和研发团队结下了梁子。特别是与吉姆·所罗门（James Solomon）的关系，他始终没能维护好。
所罗门绝对是Gerald Hsu不该招惹的人。Cadence 当初是SDA公司和ECAD 公司合并而成，而所罗门正是SDA 公司的掌门人。
合并成 Cadence 之后，所罗门作为模拟工具产品线的主管留在了 Cadence。
当时，科斯蒂罗也知道两人之间剑拔弩张的关系，但是为了维护公司的利益与发展，不得不在中间进行斡旋。
在Gerald Hsu“出色”地履行了AK47任务后，没能趁此机会修复与所罗门之间的关系，反而是撕破了脸。而科斯蒂罗最终站在了所罗门这边。也许是这个时刻，让Gerald Hsu产生了离开的意愿。
1994年初，他向科斯蒂罗提出了离职，并没有告知自己的去向。1994年3月，Gerald Hsu与 ArcSys 公司签约。
这个消息一出，立刻引起了Cadence的激烈反对。Cadence 方面给ArcSys发去了投诉函，告知其担心Gerald Hsu泄露Cadence 商业机密，反对他在 ArcSys 工作。
Cadence还将Gerald Hsu作为被告，准备了一封起诉草案，也一并发送给了ArcSys公司。
双方经过将近三个月的谈判，达成了一项秘密和解协议，以确保Gerald Hsu不会盗用 Cadence的商业机密，同时也确保Gerald Hsu本人的合法权益。
随后，ArcSys公司在Gerald Hsu的带领下，竟然起死回生，在1995年成功上市，并改名为Avant!。
这样一来，不仅科斯蒂罗当年定下的“AK47”任务成果化为乌有，还让 Avant!成为了这领域最大的竞争对手。
就连当时同样在观望物理设计领域的 Synopsys，也把 Avant! 列入了竞争对手名单之中，见于1998 年年度财报。
自从Gerald Hsu入驻 Avant!之后，Cadence 的几位重要华人工程师相继离职，加入了 Avant!。
这让原本Cadence、ArcSys和Gerald Hsu之间订下“君子”协议变得形同虚设。因此，科斯蒂罗越来越认定Gerald Hsu背叛了他，而且还带走了很多机密。只不过，他手里一直没有足够分量的证据。
命运就是这样爱捉弄人。
这时，一位在Cypress公司工作的员工，使用ArcCell(ArcSys公司的产品)的时候无意间发现了一个软件“bug”。这个“bug”其实非常不起眼，仅仅是一个提示句的标点符号给标错了位置。
[Error a: color not found in this file.]
可以看到，其实从语法角度来说，这个冒号应该在 Error 的后面，而不是 a 的后面。
但是，这位Cypress的员工可不是普通人，他原本是Cadence 的软件工程师。这条“bug”提示句，正是出自他本人之手。
他之所以对这个 bug 印象深刻，是因为他早就发现了这个问题，但是并不影响软件的正常工作，因此懒得去把它修复。
那么，问题来了，这个无意之间写的 bug 怎么会出现在 Avant! 公司的产品里呢？如果 Avant!公司的工程师也写了一个同样的bug，那岂不是太凑巧了？
于是，这位工程师深思熟虑之后，将这个情况报告给了Cadence。
科斯蒂罗得到这个信息之后，立刻向圣克拉拉当地法院递交了对 Avant! 的诉讼。
1995年12月，当地法院检察官同意对涉案人员，以及 Avant! 公司总部进行突击搜查。
当时，坊间传闻说有一位名叫米奇(Mitch)的Cadence 员工离职去ArcSys。在离职前的一天，他给自己的私人电子邮件发送了一份6MB大小的附件，里面的内容就是Q Place 技术的源代码。
然而，没有直接证据表明这段代码被发送到了ArcSys公司。
后来调查发现，真正把源代码从Cadence带到ArcSys是一位名叫 Eric 的华人工程师。
他把源代码压缩成名为“byebye.tar”的文件包发送了出去。于是，Cadence 以盗窃商业秘密等罪名起诉 Avant!，要求立刻禁售其软件产品。
由此，这个案件的方向开始朝着Cadence如何索取自己被盗取的利益，而Avant!又要如何“保护”自己的利益了。
此时的Avant!已经有了财力和客户群，下定决心与Cadence 顽抗到底。
于是，Avant! 立即启动了“洁净室（Clean Room）”计划，要尽快把涉嫌侵权的代码删掉，试图打造了一个“纯净”版的新产品。
很快，Avant!就对外宣称自己已经清理掉了Cadence代码，将新产品命名为 Aquarius（水瓶座）。
不过，Cadence也同样提起更多的诉讼来阻止Avant! 的进一步动作。由于这个案件涉及到高度技术性问题，所以地区法院聘请了一些独立专家，花了几个月的时间来研究Cadence的诉求。
在初步的审理之后，法院批准了对Avant!部分产品的禁售令，同时也驳回了部分Cadence的动议。
不过，这次判决引出了三个结论：
1.Cadence 的源代码确实应该受到版权和商业秘密法的保护；
2.Avant! 公司确实利用了Cadence 的源代码，侵犯了Cadence的版权；
3.Avant! 的洁净室计划并不充分。
尽管Cadence在此时看上去占据上风，但接下来要面对的是，漫长的“讨债”之路。Avant!那边也没有坐等，而是反手对Cadence 提出了反垄断诉讼。
从1992年起的五年时间里，ArcSys或者说Avant!一直像一个幽灵扎在科斯蒂罗的脑海里。
在这期间，事件的进展从一开始的“尽在掌握中”，到“峰回路转”，再到“更大的危机”，最后“失去了控制”。他或许已经感觉到自己带领Cadence 将陷入更大的反垄断泥潭中。
1997年，科斯蒂罗从Cadence CEO的位置上辞职。接替他的是当时Cadence CFO，Ray Bingham。
经过了几年的诉讼马拉松，最终在2001年，Cadence诉 Avant! 案件的最终结果宣判：Avant! 赔偿 Cadence 1.95亿美元，涉案人员也因盗窃商业机密罪遭到罚款，或被关进了监狱。
这场商业间谍案可以算上美国商业历史排名前10的案件，此后也被各大知名商学院和法学院作为教案。
那位提供了关键线索的工程师，获得了赔款1%的奖励，也就是195万美元。那位叫 Mitch的 Cadence 员工，也没有去ArcSys上班，而是留在 Cadence 直到退休。
那位携带源码加入ArcSys的 Eric，后来回到了 Cadence 工作，也做出了很多成绩。
被判处了高额赔偿款之后，Avant! 彻底熄火。最终*之前，Avant! 也不忘打击一下 Cadence。
2001年12月1号的董事会议上，Synopsys董事会批准对Avant!的收购。这看起来是Synopsys渔翁得利，但实际上也花费了不小的代价。
Synopsys 以0.371:1股的比例换取了 Avant! 的股票，总计付出了1450万股 Synopsys 普通股。
当时，Synopsys 股票的公允价值在每股54.74美元，相当于付出近了8亿美元的等值股票。
除此之外，Synopsys 还替 Avant! 还掉了很多债务和相关费用，以及员工遣散费等，总计也超过了1.5亿美元。
值得一提的是，在并购的过程中，Synopsys 遣散了大约250名 Avant! 员工。另外，Synopsys收购Avant!的过程中，Cadence与 Avant!之间的诉讼尚未完成。
因此，Synopsys 向保险公司支付了3.35亿美元的保费（其中2.4亿美元可退还）来对冲这次收购的风险。
当Cadence和Avant!完成相关法律责任之后，Cadence和 Synopsys 在2002年11月13日达成和解，Cadence 支付给 Synopsys 2.65 亿美元，并且签订了互惠许可协议，内容基本涵盖了之前 Avant! 带来的有争议知识产权。
由此，这场跨度10年的商业间谍案终于落下了帷幕。
9.3 快速通道与变形虫当 Cadence在1998年完成对 Quickturn 的时候之后，原Quickturn创始团队之一的 Ping Chao 出来创立了这家 Silicon Perspective Corporate，简称 SPC。
Ping Chao任CEO，而CTO的岗位交给了原 Quickturn 的工程总监戴伟进。
SPC 公司可以说拥有非常豪华的董事会，因为有黄炎松和格伦·安特勒（Glen Antle）等行业大佬坐镇。
SPC 公司的拳头产品名为 First Encounter，一个让人感觉非常浪漫的名字。它的开发初衷是为了链接逻辑综合和物理设计。
我们今天已经习惯将物理设计这个部分表达成 Netlist-to-GDSII 的流程，而逻辑综合表达为 RTL-to-Netlist。
由于物理设计会涉及到上百万个物理单元的图形化显示，因此，工程师的用户体验非常重要。
今天，我们用手机玩一些游戏大作的时候，也可能需要调整一下画面设置，在手机性能和流畅体验之间获得平衡。
First Encounter软件的特性之一是采用了一种超轻量级的数据库架构——Fast Track。
在同样的设计中，它能比竞争对手少用30%的内存。这就意味着 First Encounter 可以支持更大规模的设计，或者得到更快的运行时间。
通过这个数据库架构，First Encounter 将顶层规划、单元自动化放置、试验性布线，甚至RC参数提取、时序与延迟的分析与优化等等都囊括其中。
从Synopsys的Design Compiler拿到网表之后，First Encounter 可以在很短时间內获得一个经过物理优化的初步结果，然后将数据传递给当时Avant! Apollo 或者 Cadence Silicon Ensemble 来完成更加细节的布线与优化。
当时，First Encounter 可以只用四个小时就完成一百万门规模设计的物理设计与优化。
这里，我必须再详细解释一下。逻辑和物理之间的差别，在早期设计规模不大的时候，其实并没有天壤之别。
引入更多的工程师，通过手动设计的方式，也是可以在适当的时间内完成物理设计。而且，由于时序和功耗指标也没有今天那么紧张，所以一切看起来还是可控。
不过，随着设计达到十几万，甚至百万门的规模，无论是增加工程师人手，还是增加EDA工具的使用数量，都不能有效解决芯片设计的时间瓶颈。
所以，聪明的软件工程师们就通过层层抽象和简化，将设计流程进一步切分，通过各种优化算法来加速每一个步骤的时间，从而获得总体的收益。
当设计的步骤变得越来越多，步骤之间的数据交互也就变成了一种障碍。因此，统一的数据格式就成为了最基础的要求。
无论是当时的Avant! MilkyWay，还是后来 SPC Fast Track，它们都通过自己的数据格式实现了多个步骤的融合与优化，从而证明了这条研发路径的正确性。
First Encounter 解决的第二个问题是图形显示问题。它引入了一个名为“Amoeba（变形虫）”的算法，将整个物理设计的图形信息能快速地呈现给用户。用户可以很轻松地通过图形界面来查看逻辑模块之间的物理关系。
这个变形虫算法让用户有了非常好的操作体验，使得工程师能直观地看到逻辑规模与整个芯片之间的比例关系。
最有趣的是，在变形虫显示模式下，互相关联的模块用不同数量或者粗细的直线链接起来，更让用户对自己的设计能一目了然。
凭借这样优秀的用户体验，First Encounter赢得了很多客户。
2000年左右的时候，Synopsys Chip Architect 市场份额一度被 First Encounter 挤压殆尽。
于是，Synopsys进行了代号为“Hidden Dragon”的秘密项目，试图开发出类似的产品与 First Encounter 进行正面 PK。
就在这个节骨眼上，Avant! 与 Cadence 的纠纷进入了尾声。后面的故事，在前面的章节里已经讲过。
Synopsys花了大价钱收购了Avant!的资产，直接获得了足以与First Encounter抗衡的技术。
9.4 大举收购在 Synopsys 完成对Avant!的收购之后，Cadence旋即进行了针对SPC公司的收购。
不仅如此，Cadence还在2001-2003年之间大举收购了多个初创EDA公司来完善物理设计流程，如CadMOS Design Technology 公司（信号完整性分析）、Plato公司（NanoRoute技术和互联优化技术）、Simplex 公司（参数提取分析）、Get2Chip 公司（逻辑物理综合）、Celestry 公司（全芯片物理建模和仿真）、Verplex 公司（Conformal逻辑一致性检查）等等。
如此之多的收购，让 Cadence 的运营与财务部门感受到了明显的压力。而且，从技术角度来说，要将这些先进的技术融合起来构建一个面向未来的平台型工具，更是难上加难。
看看当时Cadence的高管团队，大多数都缺乏 EDA 行业的技术背景。例如，CEO雷蒙德·宾汉姆是财务出身，之前在大型连锁酒店业做运营；数字设计与验证部门 VP，宾妮·赫斯彻（Penny Herscher）很善于做市场调研，但缺乏大公司的管理经验，以至于部门员工称其为“Penny 的恐怖统治”；设计实现部门 VP，拉维·列夫（Lavi Lev），虽然很了解用户的需求，但是缺乏 EDA 行业经验；北美地区的销售 VP，赖斯·雷堪（Les Rechan），以前是 IBM 的销售老兵，但对于 EDA 来说，他是新人。
真正指导这些技术收购的人，是通过收购SPC公司后，以回归姿态回到Cadence 的Ping Chao。
当时，他作为首席产品战略官将这些小公司一一纳入进来。不难发现，这些小公司中，很多关键岗位都有华人的身影。黄小利、何利民、徐季平等人后来都成为了 Cadence 的高管，拥有了不小的话语权。
但是，收购公司总是要花钱的，而且整个新收购来的团队也会面临巨大的*压力。
事实上，2003年 Cadence 的财务非常不好看。不仅如此，几个关键技术部门还经历了裁员和人才流失。
因此，2003年的年度营收数据上，Synopsys 以微弱的优势超越 Cadence，暂时成为了 EDA 行业营收第一。
不过，这个优势并没有持续下去，2004年Cadence 便夺回了第一的宝座。也是在这一年，Cadence开始重整产品线，主要划分出了四个大平台：Incisive 数字验证平台、Encounter 数字实现平台、Virtuoso 定制设计平台和 Allegro 系统连接平台。
由此，Cadence 的产品部门基本有了今天的雏型。
9.5 打通物理设计的壁垒2002年，Synopsys 在年度财报中提到，公司认为Design Compiler（DC）的收入占比可能达到历史最高。
其中，2001年，DC 的营收占比为29%，而2002年，DC 营收占比已经骤降到了18%。
也就是说，Avant!的产品进入Synopsys产品体系之后，成为了和DC 一样重要的 EDA 平台。
Avant! 的代表作是Apollo和Astro 布局布线工具，还有一个纯净版的Aquarius，就暂且不提了。不过，要实现完整的物理设计工具链，光有布局布线工具是不够的。
所以，Avant!还有Jupiter、Saturn、StarRC、Mars 等等工具来完成如寄生参数提取、功耗分析、电源网络分析、时序分析等等功能。
这些工具组成的套件，之所以能和 Cadence 的物理设计套件相比，有一个特别重要的优势——数据库格式。
1997年，Avant!公司的华裔专家曹东民（Don-Min Tsou），时任该公司的研发总监，带领团队开发出了一种先进的数据格式，名叫 MilkyWay。
这个数据格式最终贯穿了 Avant! 的产品链，让原本由点工具组成的流程，变得更加紧凑耦合。
一年后，Avant! 将 MilkyWay的接口开放，并提供一个基于 C 语言编写的 API 程序。
当时，Synopsys也加入到了这个开放的接口平台，这可能也是Synopsys和Avant! 的第一次合作。
不过，Avant! 的产品和市场竞争力显然不足以和Cadence、Synopsys、Mentor 等大公司来竞争，因此经常更新或者修改 API 程序，从而将那些对它产生“威胁”的合作伙伴拒之门外。
后来，MilkyWay也成为了Synopsys物理设计产品中的重要组成部分。而Synopsys 也通过 MAP-in 的计划来开放 MilkyWay，甚至欢迎 Cadence 也加入进来。
从今天看过去，数据格式作为一款软件工具或者工具链的基本“语言”，能够将总体方案发挥出最优性能才是至关重要的。
因此，开放还是封闭，并没有绝对的规则可以照搬。这就好比苹果手机和安卓手机的竞争一样，苹果基于自己的封闭生态，软硬件协同工作发挥出最强的性能，而安卓类的手机公司基于开源的操作系统开发出具备差异化特性的产品，从而快速更新升级来时刻抓住消费者的心。
另一个 Avant! 遗留至今的软件是StarRC。它作为一款 RC 参数提取工具，发展到今天也成为了业内的标杆。
今天，StarRC系列产品不仅仅支持晶体管级的RC参数提取，还可以支持超大规模的全芯片参数提取，基本做到了全功能覆盖。
2003年，Synopsys 提出了 Galaxy 设计平台的概念。
从名字上来说，原本的MilkyWay只是英语里“银河”的俗称，而Galaxy 则代表银河系。
它将Design Compiler、Physical Compiler、Module Compiler、Power Compiler、DFT Compiler、StarRC、PrimeTime、Hercules、Jupiter、Astro等等数字设计工具都纳入了这个平台中，并起用了 MilkyWay 数据格式。
除此之外，Avant! 还贡献了 HSpice 电路仿真工具，至今都是业内名气最大的电路仿真工具。
值得一提的是，在Synopsys 收购Avant!之后，由于受到了和Cadence 诉讼案的牵连，大部分员工被遣散。
后来，曹东民在2003年成立了另一家公司来继续打造布局布线工具。这家公司就是ATopTech。它的故事后面再提。
2005年，经过三年时间的产品过度，Synopsys 推出名为IC Compiler 的物理设计全流程平台，并积极推动原本Avant!的用户迁移到该平台上，包括 ARM、意法半导体等等公司。
原本属于Avant! Apollo和Astro等工具，在2007年从Synopsys 产品清单中移除，正式完成了产品的更迭。
（第九章，未完待续。）
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