EDA半導體行業(yè)正處在一個關鍵轉(zhuǎn)折點，摩爾定律的極限推動著向三維集成電路(3D IC)技術的轉(zhuǎn)型。通過垂直集成多個芯粒，3D IC 在性能、功能性和能效方面實現(xiàn)了進步。然而，堆疊芯片引入了由多物理場相互作用(熱、機械和電氣)驅(qū)動的復雜性層面，這些必須在設計之初就加以解決。

3D IC 將 IC 設計帶入新維度

從二維(2D)系統(tǒng)級芯片(SoC)轉(zhuǎn)向堆疊的 3D IC，從根本上改變了設計環(huán)境。2D SoC 受益于成熟的工藝設計套件(PDK)和可預測的工作流程。相比之下，3D 集成通常意味著要整合使用不同工藝節(jié)點和新互連技術的異構芯片，這在整個設計和驗證流程中引入了額外的變量。多物理場現(xiàn)象不再是孤立的問題，它們已成為設計整體成功不可或缺的一部分。

多物理場：新的設計要務

3D IC 的垂直結構——通過硅通孔和微凸塊互連，并封裝在先進的封裝材料中——創(chuàng)造了一個緊密耦合的環(huán)境，其中散熱、機械完整性和電氣行為以復雜的方式相互作用。對于 2D 芯片，熱和機械檢查通常被推遲到設計周期后期，其影響尚可管理。對于 3D IC，推遲這些分析則可能面臨代價高昂的重新設計或性能與可靠性故障的風險。傳統(tǒng)的 SoC 設計通常依賴于高層次 RTL 描述，許多物理優(yōu)化在早期就已固定，后期難以更改。3D IC 的復雜性和物理耦合要求在 RTL 和布局規(guī)劃階段就更早地從物理驅(qū)動的分析中獲得反饋，使設計人員能夠在代價高昂的約束鎖定之前做出明智的選擇。一個芯粒在單獨測試時可能符合規(guī)格，但一旦置于 3D 堆棧的真實條件下，就可能面臨可靠性和性能下降的問題。只有早期、預測性的多物理場分析才能揭示這些風險，并實現(xiàn)具有成本效益的緩解。持續(xù)的多物理場評估必須從布局規(guī)劃開始，并貫穿每一個設計迭代。對布局、接口或材料的任何更改都可能引入新的熱或機械應力問題，必須重新評估以維持系統(tǒng)可靠性和良率。

將IC設計提升至系統(tǒng)級

3D IC 需要專業(yè)團隊之間的緊密協(xié)作：芯片設計人員、中介層專家、封裝工程師，以及日益重要的電子系統(tǒng)架構師和 RTL 開發(fā)人員。每個團隊都有自己的工具鏈和數(shù)據(jù)標準，通常具有不同的網(wǎng)表命名約定、組件方向和功能定義，這導致了溝通和集成方面的挑戰(zhàn)。除了內(nèi)部挑戰(zhàn)，3D IC 設計通常涉及來自多個供應商、晶圓廠和 OSAT 提供商的芯粒，各方的方法論和數(shù)據(jù)格式各不相同。雖然使用現(xiàn)成的芯粒提供了靈活性并加速了開發(fā)，但集成過程可能暴露出先前隱藏的多物理場問題。一個單獨工作正常的芯粒在堆疊后可能無法滿足規(guī)格，這強調(diào)了需要更緊密的行業(yè)協(xié)作。解決這些差異需要一位系統(tǒng)級負責人，并得到能夠統(tǒng)一方法論和聚合跨領域數(shù)據(jù)的全面 EDA 平臺的支持。這確保了數(shù)據(jù)一致性，并減少了孤島式工作流程固有的錯誤。對于 EDA 供應商而言，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)這種協(xié)作的包容性環(huán)境和工具至關重要。公司間的協(xié)作現(xiàn)在也依賴于更強大的數(shù)據(jù)交換工具和方法論。EDA 供應商通過提供在無晶圓廠公司、晶圓廠和 OSAT 之間實現(xiàn)無縫通信和數(shù)據(jù)聚合的平臺和標準，發(fā)揮著核心作用。在行業(yè)層面，新的標準和 3D IC 設計套件——例如由 CDX 工作組和行業(yè)合作伙伴開發(fā)的那些——正在涌現(xiàn)以應對這些挑戰(zhàn)，為描述 3D IC 組件、接口和封裝架構打造一種通用語言。這些標準對于實現(xiàn)跨不同團隊和供應鏈合作伙伴的可靠數(shù)據(jù)交換和集成至關重要。

芯粒設計套件(CDK)：JEDEC JEP30 部件模型

諸如臺積電的 3Dblox 計劃等項目提供了前期的布局和互連定義，減少了歧義并促進了工具的互操作性。

數(shù)字李生與預測性多物理場

數(shù)字孿生概念將多物理場分析擴展到整個產(chǎn)品生命周期。維護一個精確的數(shù)字表示——從晶體管級細節(jié)到全系統(tǒng)集成——使得預測性仿真和優(yōu)化成為可能，并能考慮到直至封裝、電路板甚至系統(tǒng)級的相互作用。通過在抽象級別之間傳遞多物理場結果，團隊可以驗證芯粒在熱和機械負載下的行為是否準確預測了最終產(chǎn)品的可靠性。

數(shù)字孿生將多物理場分析擴展到整個產(chǎn)品生命周期

對于 3D IC，芯粒的電氣模型必須通過從堆棧級仿真中獲取的多物理場數(shù)據(jù)進行增強。將來自封裝級分析的溫度和應力結果反向標注到芯粒網(wǎng)表中，為更精確的系統(tǒng)級電氣仿真奠定了基礎。這個反饋循環(huán)正成為簽核的關鍵部分，確保每個芯粒在組裝后的系統(tǒng)中在其操作窗口內(nèi)正常運行。

保持冷卻

熱管理是 3D IC 中芯片間接口最重要的考慮因素。有源芯片的垂直鄰近可能導致熱量快速積聚和風險，例如熱失控，即持續(xù)的熱量產(chǎn)生進一步降低電氣性能，并因不同材料熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生機械應力。材料之間的差異膨脹甚至會使芯片翹曲，并威脅互連的可靠性。為了實現(xiàn)預測性設計，行業(yè)需要標準化的"多物理場 Liberty 文件"，用于定義芯粒模塊的溫度和應力依賴性，類似于 2D 設計中用于布局布線的 Liberty 文件。這些文件將使設計人員能夠評估堆棧中的芯粒在預期的熱條件下是否保持在安全操作范圍內(nèi)。多物理場分析還必須支持將溫度和應力信息反向標注到單個芯粒，確保電氣模型反映真實的操作環(huán)境。雖然用于此過程的工具鏈正在不斷發(fā)展，但趨勢是明確的：全面的、物理感知的仿真和數(shù)據(jù)交換將成為 3D IC 設計簽核不可或缺的一部分，確?？煽康倪\行和最佳的系統(tǒng)性能。

結論：塑造3DIC設計的未來

邁向 3D IC 技術的旅程標志著半導體行業(yè)的一個變革時期，從根本上重塑了復雜系統(tǒng)的設計、驗證和制造方式。3D IC 技術標志著半導體創(chuàng)新的飛躍。其成功取決于預測性的早期多物理場分析以及跨供應鏈的協(xié)作。建立通用標準、實現(xiàn)系統(tǒng)級優(yōu)化以及采用數(shù)字孿生概念將推動卓越的性能、可靠性和上市時間。3D IC 設計領域的先驅(qū)——跨越 EDA、半導體和系統(tǒng)開發(fā)商——正朝著統(tǒng)一的系統(tǒng)級平臺邁進，該平臺允許設計人員在一個"單一駕駛艙"環(huán)境中進行迭代和優(yōu)化多物理場分析。作為 3D IC 方法論、標準化和工具的領導者，西門子最近推出了首個真正的 3D IC EDA 解決方案——Innovator3D IC，它提供了設計人員所需的單一集成駕駛艙。

Innovator3D IC Integrator 異構集成駕駛艙

隨著 EDA 工具、方法論和協(xié)作的持續(xù)進步，半導體行業(yè)能夠釋放 3D 集成的全部潛力——交付下一代電子系統(tǒng)，突破能力、效率和創(chuàng)新的界限。