EDA半導(dǎo)體行業(yè)正處在一個關(guān)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(shù)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(jìn)步。然而，堆疊芯片引入了由多物理場相互作用(熱、機(jī)械和電氣)驅(qū)動的復(fù)雜性層面，這些必須在設(shè)計之初就加以解決。

3D IC 將 IC 設(shè)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(shè)計環(huán)境。2D SoC 受益于成熟的工藝設(shè)計套件(PDK)和可預(yù)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(shù)的異構(gòu)芯片，這在整個設(shè)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(shè)計整體成功不可或缺的一部分。

多物理場：新的設(shè)計要務(wù)

3D IC 的垂直結(jié)構(gòu)——通過硅通孔和微凸塊互連，并封裝在先進(jìn)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(jī)械完整性和電氣行為以復(fù)雜的方式相互作用。對于 2D 芯片，熱和機(jī)械檢查通常被推遲到設(shè)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(shè)計或性能與可靠性故障的風(fēng)險。傳統(tǒng)的 SoC 設(shè)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(fù)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(shè)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(yù)測性的多物理場分析才能揭示這些風(fēng)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(shè)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(jī)械應(yīng)力問題，必須重新評估以維持系統(tǒng)可靠性和良率。

將IC設(shè)計提升至系統(tǒng)級

3D IC 需要專業(yè)團(tuán)隊之間的緊密協(xié)作：芯片設(shè)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(gòu)師和 RTL 開發(fā)人員。每個團(tuán)隊都有自己的工具鏈和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)致了溝通和集成方面的挑戰(zhàn)。除了內(nèi)部挑戰(zhàn)，3D IC 設(shè)計通常涉及來自多個供應(yīng)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(qiáng)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(fù)責(zé)人，并得到能夠統(tǒng)一方法論和聚合跨領(lǐng)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(yīng)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(guān)重要。公司間的協(xié)作現(xiàn)在也依賴于更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交換工具和方法論。EDA 供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮著核心作用。在行業(yè)層面，新的標(biāo)準(zhǔn)和 3D IC 設(shè)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(yīng)對這些挑戰(zhàn)，為描述 3D IC 組件、接口和封裝架構(gòu)打造一種通用語言。這些標(biāo)準(zhǔn)對于實現(xiàn)跨不同團(tuán)隊和供應(yīng)鏈合作伙伴的可靠數(shù)據(jù)交換和集成至關(guān)重要。

芯粒設(shè)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(jìn)了工具的互操作性。

數(shù)字李生與預(yù)測性多物理場

數(shù)字孿生概念將多物理場分析擴(kuò)展到整個產(chǎn)品生命周期。維護(hù)一個精確的數(shù)字表示——從晶體管級細(xì)節(jié)到全系統(tǒng)集成——使得預(yù)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(jié)果，團(tuán)隊可以驗證芯粒在熱和機(jī)械負(fù)載下的行為是否準(zhǔn)確預(yù)測了最終產(chǎn)品的可靠性。

數(shù)字孿生將多物理場分析擴(kuò)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(jìn)行增強(qiáng)。將來自封裝級分析的溫度和應(yīng)力結(jié)果反向標(biāo)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(chǔ)。這個反饋循環(huán)正成為簽核的關(guān)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(dǎo)致熱量快速積聚和風(fēng)險，例如熱失控，即持續(xù)的熱量產(chǎn)生進(jìn)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(jī)械應(yīng)力。材料之間的差異膨脹甚至?xí)剐酒N曲，并威脅互連的可靠性。為了實現(xiàn)預(yù)測性設(shè)計，行業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化的"多物理場 Liberty 文件"，用于定義芯粒模塊的溫度和應(yīng)力依賴性，類似于 2D 設(shè)計中用于布局布線的 Liberty 文件。這些文件將使設(shè)計人員能夠評估堆棧中的芯粒在預(yù)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(yīng)力信息反向標(biāo)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(shè)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(jié)論：塑造3DIC設(shè)計的未來

邁向 3D IC 技術(shù)的旅程標(biāo)志著半導(dǎo)體行業(yè)的一個變革時期，從根本上重塑了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、驗證和制造方式。3D IC 技術(shù)標(biāo)志著半導(dǎo)體創(chuàng)新的飛躍。其成功取決于預(yù)測性的早期多物理場分析以及跨供應(yīng)鏈的協(xié)作。建立通用標(biāo)準(zhǔn)、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(shè)計領(lǐng)域的先驅(qū)——跨越 EDA、半導(dǎo)體和系統(tǒng)開發(fā)商——正朝著統(tǒng)一的系統(tǒng)級平臺邁進(jìn)，該平臺允許設(shè)計人員在一個"單一駕駛艙"環(huán)境中進(jìn)行迭代和優(yōu)化多物理場分析。作為 3D IC 方法論、標(biāo)準(zhǔn)化和工具的領(lǐng)導(dǎo)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(shè)計人員所需的單一集成駕駛艙。

Innovator3D IC Integrator 異構(gòu)集成駕駛艙

隨著 EDA 工具、方法論和協(xié)作的持續(xù)進(jìn)步，半導(dǎo)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。