异质集成3D IC摩尔定律解决方案,Cadence EDA系统分析工具成关键要角

全球半导体产业朝向两大方向前进,其一为依循摩尔定律2D先进制程持续微缩,如台积电5纳米制程量产在即,3纳米甚至2纳米、1纳米也都在龙头大厂战略之中。另一方面,半导体业界坦言,随着摩尔定律势必面临物理极限,以先进封装如2.5D、三维单晶堆栈(3D monolithic stacking) 技术“替摩尔定律延寿”,成为一线半导体企业如台积电、三星、英特尔(Intel) 等巨人致力发展的重点。

以异质集成为依归,把不同芯片制程节点的多种芯片集成于同一封装之中,将成为未来5G、AI、高效运算(HPC) 芯片重要趋势,囊括PCB、封装、IC,以及多种物理特性“系统级分析”的EDA工具自然成为关键。

电、磁、光、力、热协同发展,Cadence系统分析成明确主轴

诚如EDA Tool龙头益华计算机(Cadence)系统分析业务单位总经理Ben Gu提出,Cadence过去几年之中一直寻找新的增长方向,2018年5月成立的多物理场(Multi-physics) 新业务部,将是从以往的逻辑、模拟部门仿真软件基础上,再锁定电、磁、光、力、热的五大方向,创建扎实的研发团队。
Ben Gu指出,全球半导体大厂希望在EDA部分,能有一个完整环境协助企业分析、设计,3D IC无疑是未来趋势。随着如台积电、英特尔等企业提出的小芯片(Chiplet) 等异质集成策略,一个封装中将有多个Die,这将需要系统级的完整分析与3D仿真,避免将整体系统分割成不同区块造成不够精确的问题。

Ben Gu强调,EDA是整个半导体产业发展助力,摩尔定律持续发展,但估计到了2纳米、1纳米之后,速度恐怕会趋缓,而Cadence看到的是“超越摩尔定律”的新趋势。也因此,芯片封装、PCB、设计,一直到系统分析的EDA Tool,都会越来越具关键性。就以5G毫米波(mmWave) 高频段芯片设计为例,毫米波信号本就不易侦测,传统2D仿真的精准度流失非常快,需要高精确度的3D电磁仿真分析辅助,加速客户量产导入商品的时间,基于上述的需求,在5G手机用系统单芯片(SoC) 发展非常积极的IC设计公司一直在寻找革命性的EDA Tool,Cadence Clarity的推出,正好符合他们的需求。
传统的EDA Tool是Cadence的坚实基础,我们更希望把这些在辅助SoC设计的经验、仿真数据扩展到新的系统分析领域,更进一步到机器学习阶段,帮助客户解决系统仿真的痛点,也因此,Cadence可以进一步掌握到系统厂客户。
据了解,Cadence目前已经与大陆一线NB系统大厂合作,国际客户包括Socionext等,在测试领域,美系测试设备龙头泰瑞达 (Teradyne) 更是公开了与Cadence的合作实例。

5G、AI、HPC时代加速客户产品上市时间成竞争关键

过去1年半以来,Cadence致力于提升研发动能,针对系统端应用开发的新方向,目前Cadence发布了两大新产品,包括电磁领域的Clarity 3D求解器,以及热传学领域的Celsius。
Clarity 3D求解器是为Cadence首发的3D电磁仿真系统分析工具,可与Cadence既有的仿真工具Sigrity结合,以其Mesh Technology与Matrix Solver协同实现平行运算,让仿真时硬件配置与运算成本降低,并且提供云计算计算资源辅助,仿真运算速度将可增加10倍以上。Clarity 3D将协助客户解决包括5G、HPC、AIoT、甚至包括车用电子的电磁挑战,其高精度模型可使用于如信号完整性(SI)、电源完整性(PI)、电磁兼容性(EMC ) 等分析。

而随着2.5/3D IC芯片堆栈的先进封装技术成为大型HPC芯片重要趋势,散热设计自然是半导体企业所看重的系统分析关键,需考量的系统范围包含IC内部纳米/微米尺度,一路延伸至封装,乃至厘米等级的PCB与机箱的散热仿真,这些以往因尺度差异过大,而传统计算流体力学热传分析工具所难以触及的领域,就是Cadence的Celsius热传仿真解决方案所要着墨的地方。
不管是半导体或是系统厂,散热问题将是5G、AI时代关键,在市场竞争激烈的产业局势下,来自散热设计的挑战将影响产品量产上市进程。随着轻薄短小、高算力、长时待机、高功率密度的需求未曾停歇,热暂态分析必须与传统稳态分析同时布局,这也就是Cadence以多物理场技术构建“完整系统分析”,并集成成单一工具的取径。

事实上,散热问题以往一度在芯片设计、封装被忽略,但随着先进封装技术的进展,过去几年来客户的热仿真需求日益提升。同质或异质芯片堆栈在同一封装已经是龙头企业共同看好的方向,包括如台积电的CoWoS、InFO、更新的SoIC制程、英特尔的Forevos等,甚至是在基板封装技术深耕的日月光投控等,都持续往系统级封装(SiP)的概念靠拢,热能从芯片、封装、PCB板散出之后如何进行交换,这些也都是系统问题。

Cadence携手半导体、系统厂,系统级分析技术后起直追

Cadence不管是在电磁领域的Clarity 3D求解器或是Celsius热学求解器,都可以与其既有电源领域的Voltus IC、PCB/封装用Sigrity等技术混搭使用,“电热共同仿真系统分析”将是Cadence争取市场占有率,协助客户发展5G、AI、车用电子的重点。
据了解,电磁3D求解器新产品,已有5~6家客户导入,预计2019年底客户数量将增至20家,更有50家潜力客户商谈中,包括了逻辑IC设计、内存、系统厂都在列。热仿真新产品,已有5家以上客户实际导入,20多家潜在客户。

随着半导体、系统厂对于“系统分析”工具的渴求,EDA Tool企业自然也必须从IC、PCB、封装以及各类基础科学角度出发,以迎接5G、AIoT、HPC、车用电子等市场主流趋势,Cadence将持续致力于解决竞争对手无法解决的问题,在仿真成本、效率上,进一步协助客户加速产品上市时间。

(图片来源:shutterstock)

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