異質整合 3D IC 摩爾定律解方,Cadence EDA 系統分析工具成關鍵要角

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 04 日 12:00 | 分類 尖端科技 , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


全球半導體產業朝向兩大方向前進,其一為依循摩爾定律 2D 先進製程持續微縮,如台積電 5 奈米製程量產在即,3 奈米甚至 2 奈米、1 奈米也都在龍頭大廠戰略之中。另一方面,半導體業界坦言,隨著摩爾定律勢必面臨物理極限,以先進封裝如 2.5D、三維單晶堆疊(3D monolithic stacking)技術「替摩爾定律延壽」,成為一線半導體業者如台積電、三星、英特爾(Intel)等巨人致力發展的重點。

以異質整合為依歸,把不同晶圓製程節點的多種晶片整合於同一封裝之中,將成為未來 5G、AI、高效運算(HPC)晶片重要趨勢,囊括 PCB、封裝、IC,以及多種物理特性「系統級分析」的 EDA 工具自然成為關鍵。

電、磁、光、力、熱偕同發展,Cadence 系統分析成明確主軸

誠如 EDA Tool 龍頭益華電腦(Cadence)系統分析事業單位總經理 Ben Gu 提出,Cadence 過去幾年之中一直尋找新的成長方向,2018 年 5 月成立的多物理場(Multi-physics)新事業部,將是從以往的邏輯、類比部門模擬軟體基礎上,再鎖定電、磁、光、力、熱的五大方向,建立扎實的研發團隊。
Ben Gu 指出,全球半導體大廠希望在 EDA 部分,能有一個完整環境協助業者分析、設計,3D IC 無疑是未來趨勢。隨著如台積電、英特爾等業者提出的小晶片(Chiplet)等異質整合策略,一個封裝中將有多個 Die,這將需要系統級的完整分析與 3D 模擬,避免將整體系統分割成不同區塊造成不夠精確的問題。

Ben Gu 強調,EDA 是整個半導體產業發展助力,摩爾定律持續發展,但估計到了 2 奈米、1 奈米之後,速度恐怕會趨緩,而 Cadence 看到的是「超越摩爾定律」的新趨勢。也因此,晶片封裝、PCB、設計,一直到系統分析的 EDA Tool,都會越來越具關鍵性。就以 5G 毫米波(mmWave)高頻段晶片設計為例,毫米波訊號本就不易偵測,傳統 2D 模擬的精準度流失非常快,需要高精確度的 3D 電磁模擬分析輔助,加速客戶量產導入商品的時間,基於上述的需求,在 5G 手機用系統單晶片(SoC)發展非常積極的 IC 設計公司一直在尋找革命性的 EDA Tool,Cadence Clarity 的推出,正好符合他們的需求。

傳統的 EDA Tool 是 Cadence 的堅實基礎,我們更希望把這些在輔助 SoC 設計的經驗、模擬數據擴展到新的系統分析領域,更進一步到機器學習階段,幫助客戶解決系統模擬的痛點,也因此,Cadence 可以進一步掌握到系統廠客戶。

據了解,Cadence 目前已經與大陸一線 NB 系統大廠合作,國際客戶包括 Socionext 等,在測試領域,美系測試設備龍頭泰瑞達(Teradyne)更是公開了與 Cadence 的合作實例。

5G、AI、HPC 世代 加速客戶產品上市時間成競爭關鍵

過去 1 年半以來,Cadence 致力於提升研發動能,針對系統端應用開發的新方向,目前 Cadence 發表了兩大新產品,包括電磁領域的 Clarity 3D 求解器,以及熱傳學領域的 Celsius。

Clarity 3D 求解器是為 Cadence 首發的 3D 電磁模擬系統分析工具,可與 Cadence 既有的模擬工具 Sigrity 結合,以其 Mesh Technology 與 Matrix Solver 偕同實現平行運算,讓模擬時硬體配置與運算成本降低,並且提供雲端運算資源輔助,模擬運算速度將可增加 10 倍以上。Clarity 3D 將協助客戶解決包括 5G、HPC、AIoT、甚至包括車用電子的電磁挑戰,其高精度模型可使用於如訊號完整性(SI)、電源完整性(PI)、電磁相容性(EMC)等分析。

而隨著 2.5/3D IC 晶圓堆疊的先進封裝技術成為大型 HPC 晶片重要趨勢,散熱設計自然是半導體業者所看重的系統分析關鍵,需考量的系統範圍包含 IC 內部奈米/微米尺度,一路延伸至封裝,乃至公分等級的 PCB 與機殼的散熱模擬,這些以往因尺度差異過大,而傳統計算流體力學熱傳分析工具所難以觸及的領域,就是 Cadence 的 Celsius 熱傳模擬解決方案所要著墨的地方。

不管是半導體或是系統廠,散熱問題將是 5G、AI 世代關鍵,在市場競爭激烈的產業局勢下,來自散熱設計的挑戰將影響產品量產上市時程。隨著輕薄短小、高算力、長時待機、高功率密度的需求未曾停歇,熱暫態分析必須與傳統穩態分析同時佈署,這也就是 Cadence 以多物理場技術建構「完整系統分析」,並整合成單一工具的取徑。

事實上,散熱問題以往一度在晶片設計、封裝被忽略,但隨著先進封裝技術的進展,過去幾年來客戶的熱模擬需求日益提升。同質或異質晶片堆疊在同一封裝已經是龍頭業者共同看好的方向,包括如台積電的 CoWoS、InFO、更新的 SoIC 製程、英特爾的 Forevos 等,甚至是在基板封裝技術深耕的日月光投控等,都持續往系統級封裝(SiP)的概念靠攏,熱能從晶片、封裝、PCB 板散出之後如何進行交換,這些也都是系統問題。

Cadence 攜手半導體、系統廠,系統級分析技術後起直追

Cadence 不管是在電磁領域的 Clarity 3D 求解器或是 Celsius 熱學求解器,都可以與其既有電源領域的 Voltus IC、PCB/封裝用 Sigrity 等技術混搭使用,「電熱共同模擬系統分析」將是 Cadence 爭取市占率,協助客戶發展 5G、AI、車用電子的重點。

據了解,電磁 3D 求解器新產品,已有 5~6 家客戶導入,預計 2019 年底客戶數量將上看 20 家,更有 50 家潛力客戶商談中,包括了邏輯 IC 設計、記憶體、系統廠都在列。熱模擬新產品,已有 5 家以上客戶實際導入,20 多家潛在客戶。

隨著半導體、系統廠對於「系統分析」工具的渴求,EDA Tool 業者自然也必須從 IC、PCB、封裝以及各類基礎科學角度出發,以迎接 5G、AIoT、HPC、車用電子等市場主流趨勢,Cadence 將持續致力於解決競爭對手無法解決的問題,在模擬成本、效率上,進一步協助客戶加速產品上市時間。

(圖片來源:shutterstock)