隨著摩爾定律的放緩，2D和3D封裝技術(shù)被認(rèn)為是下一個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，各半導(dǎo)體廠(chǎng)商都在致力于研究。在PC領(lǐng)域，AMD早期采用被稱(chēng)為“chiplet”的2D封裝技術(shù)，以應(yīng)付對(duì)手英特爾的競(jìng)爭(zhēng)力，其重要性毋庸置疑。

6月27日臺(tái)灣媒體報(bào)道稱(chēng)，臺(tái)積電（TSMC）將3D IC研發(fā)中心設(shè)在日本，以此來(lái)拉開(kāi)與三星代工、英特爾等在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上的差距。

隨著摩爾定律放緩，3D IC設(shè)計(jì)備受關(guān)注

TSMC是世界上最大的代工生產(chǎn)半導(dǎo)體制造商，接受AMD、Apple、NVIDIA、Qualcomm等無(wú)晶圓廠(chǎng)（Fabless）半導(dǎo)體制造商的芯片代工生產(chǎn)。AMD的Ryzen、蘋(píng)果的A／M系列、NVIDIA的H100等先進(jìn)芯片均由TSMC制造。

在此之前，臺(tái)積電的研發(fā)和生產(chǎn)總部都在中國(guó)臺(tái)灣，但近年來(lái)該公司一直在加快將此類(lèi)設(shè)施轉(zhuǎn)移到海外。譬如，在建的美國(guó)亞利桑那州的新晶圓廠(chǎng)，計(jì)劃2024年開(kāi)始生產(chǎn)。日本去年也宣布，TSMC設(shè)立新工廠(chǎng)的消息，計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間也是于2024年開(kāi)始。

此次TSMC在日本設(shè)立的3D IC研究中心旨在為半導(dǎo)體制造的后端封裝工序服務(wù)。

這幾年，摩爾定律已經(jīng)持續(xù)放緩，很難像以前那樣在兩年內(nèi)將晶體管數(shù)量翻一番。因此，提高性能的唯一方法是增加芯片的裸片尺寸，但結(jié)果會(huì)導(dǎo)致制造成本的上升。

在這種情況下，使用2D、3D封裝技術(shù)有望解決該問(wèn)題，如，AMD在使用“chiplet”的2D封裝技術(shù)。三星電子推出的3D封裝“X－Cube 技術(shù)”。臺(tái)積電正在研發(fā)的“CoWoS”2D封裝技術(shù)，以及正在使用的“InFO”，且未來(lái)計(jì)劃推出3D封裝“SoIC技術(shù)”。

3D IC熱潮下，芯片的設(shè)計(jì)仿真是個(gè)難點(diǎn)

由于未來(lái)摩爾定律不太可能重回常規(guī)步伐，因此半導(dǎo)體制造商面臨著巨大的壓力，這些制造商不僅要保證信號(hào)完整性和追求低功耗的同時(shí)，還要求以更小的封裝尺寸加快創(chuàng)新芯片設(shè)計(jì)的上市速度。雖然3D IC有望滿(mǎn)足所有這些需求，但與此同時(shí)，它們也帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，對(duì)傳統(tǒng)EDA工具和工藝提出了挑戰(zhàn)。

3D IC通過(guò)堆疊裸片并使之互聯(lián)以使其作為單個(gè)器件運(yùn)行來(lái)制造，這樣做帶來(lái)的新風(fēng)險(xiǎn)是由更高密度引起的熱積聚。因?yàn)樗鼈儽鹊湫偷钠舷到y(tǒng)（SoC）大得多，具有更長(zhǎng)的互連，所以需要對(duì)它們進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)有故障的集成點(diǎn)以及系統(tǒng)級(jí)故障。

然而，大多數(shù)半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)根本不具備管理3D IC分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證這一艱巨工作的能力。傳統(tǒng)的SoC仿真方法讓他們不堪重負(fù)，這種方法依賴(lài)于一系列循序漸進(jìn)的過(guò)程，其中單一物理仿真工具被逐一應(yīng)用。當(dāng)工程師將這些不同的工具和這一系列過(guò)程應(yīng)用于復(fù)雜的3D IC設(shè)計(jì)時(shí)，他們會(huì)遺漏系統(tǒng)級(jí)交互、連接點(diǎn)、綜合熱效應(yīng)和其他考慮因素，從而導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤。

隨著3D IC在高級(jí)半導(dǎo)體應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，工程團(tuán)隊(duì)需要一種同樣創(chuàng)新的新分析方法。他們需要一個(gè)單一、開(kāi)放和成熟的平臺(tái)，在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行并行、多元的模擬和分析。他們需要在組件和系統(tǒng)層面上快速、同時(shí)考慮多種物理因素。

EDA市場(chǎng)迫切需要國(guó)內(nèi)企業(yè)的本土創(chuàng)新

而掌握這些新方法和前沿設(shè)計(jì)、仿真EDA工具的企業(yè)幾乎被國(guó)際巨頭Synopsys，Cadence，SIEMENS EDA，Ansys等寡頭占據(jù)，與之相比的是，國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)起步較晚，要落后于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。目前而言存在國(guó)內(nèi)EDA市場(chǎng)由國(guó)外公司主導(dǎo)。

作為IC和PCB背后的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造計(jì)算機(jī)芯片不可或缺，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)必然離不開(kāi)EDA工具，EDA市場(chǎng)也迫切需要一些國(guó)內(nèi)企業(yè)的自主創(chuàng)新。近幾年，隨著持續(xù)的中美貿(mào)易緊張局面，國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)新熱潮不減，對(duì)EDA領(lǐng)域的投資也在迅速增加。

根據(jù)MarketWatch數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2020年至2025年間，中國(guó)EDA工具市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)10．2％的復(fù)合年增長(zhǎng)率，到2027年，全球EDA市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到208．9億美元。

國(guó)內(nèi)EDA領(lǐng)域最大的公司之一是芯華章X－Epic。該公司由前新思科技副總經(jīng)理王禮賓于2020年3月創(chuàng)立，據(jù)報(bào)道，該公司在由云暉資本領(lǐng)投的Pre－A輪融資中籌集了至少1億元，此后又經(jīng)歷了多次融資。

此外，其它大型EDA公司包括上海合見(jiàn)工業(yè)軟件集團(tuán)有限公司和合肥的全芯智造技術(shù)有限公司。兩家公司也屬于初創(chuàng)企業(yè)。合見(jiàn)工業(yè)軟件成立于2020年5月，全芯智造成立于2020年9月，均由Synopsys的前資深人士創(chuàng)立，Synopsys本身也投資于全芯智造。

與國(guó)外寡頭相比，國(guó)內(nèi)創(chuàng)新企業(yè)別無(wú)選擇，只能在風(fēng)險(xiǎn)投資家的腰包和支持下迅速整合資源并開(kāi)發(fā)本土工具。由政府主導(dǎo)的集成電路大基金已經(jīng)參與了EDA初創(chuàng)企業(yè)的多輪融資。

高性能FPGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)樺捷（HuaPro－P1）使用演示。來(lái)源／芯華章

這種對(duì)國(guó)內(nèi) EDA的承諾肯定會(huì)得到回報(bào)。2020年11月，芯華章X－Epic展示了首批成功的本土EDA解決方案之一，稱(chēng)為“EpicElf”，一種FPGA驗(yàn)證工具。2021年11月24日，芯華章發(fā)布了4款極具技術(shù)門(mén)檻的驗(yàn)證EDA產(chǎn)品，以及統(tǒng)一底層構(gòu)架的智V驗(yàn)證平臺(tái)，包括了數(shù)字仿真穹鼎GalaxSim、形式驗(yàn)證穹瀚GalaxFV、智能驗(yàn)證穹景GalaxPSS以及原型驗(yàn)證樺捷HuaPro－P1。

總結(jié)一點(diǎn)：3D IC設(shè)計(jì)是摩爾定律放緩之后的下一個(gè)風(fēng)口，如何解決其芯片設(shè)計(jì)、仿真及系統(tǒng)驗(yàn)證等問(wèn)題應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。