隨著 AI/HPC 高效能晶片需求的快速成長，當前半導體產業的設計思維也開始從單晶片轉向多晶片平行運算，一時之間，3D-IC/Chiplet 技術成為突破傳統設計瓶頸、加速創新與縮短上市時間的關鍵。身為 EDA 領導者的 Cadence 首度舉辦 3D-IC/Chiplet 技術論壇，邀請生態系統夥伴與業界專家，共同探討 3D-IC/Chiplet 設計的最新發展趨勢、關鍵技術挑戰與市場成長契機。
Cadence 在日前舉辦的「從晶片設計到封裝，擘劃半導體新格局」為題的 3D-IC/Chiplet 技術論壇，會中除了來自 Cadence 總部研發主管與客戶應用工程主管輪番上台發表演講外，並且邀請安謀（Arm）、創意電子（GUC）、創鑫智慧（Neuchips）、聯發科技（MediaTek）等生態系統夥伴與業界專家進行專題座談會。
Cadence 台灣區總經理宋栢安開場致詞指出，3D-IC/Chiplet 已經成為克服半導體材料面臨物理限制的最佳解答與未來方向。不僅如此，今後晶片的優化重點已經不再是傳統所謂的 PPA（功耗/效能/面積），而是能分析熱、電、磁等不同問題的系統級 PPA。
迎戰 Chiplet 時代挑戰！從整合式 EDA 到全流程的全面解方
Cadence 研發副總裁 Don Chan 提到，不久前我們才經歷過一波半導體的典範轉移，它們是由於設計變得更加複雜、製程節點愈來愈小以及 PPA 困難增加等新的挑戰所帶動。
如今隨著摩爾定律放緩，以及 AI/ML 帶動了多學門人才的需求高漲，我們正面臨另一個全新典範轉移的逼近，引發這個趨勢的重要因素還包括，從 2D 快速走向 3D、從 CPU 到 GPU 的運算擴展、資料頻寬需求轉換至光子，以及包含電磁光力熱與封裝的新設計考量。更重要的是，隨著系統規劃、SoC、異質小晶片、晶圓級封裝的出現，企業需要建立多學門人才團隊。
針對複雜的 3D-IC 設計，Cadence 提供了全面性的解決方案，包括專門針對 3D-IC 先進封裝及晶片堆疊的整合式 EDA 平台、系統級早期探索與多物理場分析、與主流晶圓代工廠合作制定的早期測試晶片參考流程，以及 IP 智財與服務。
Don Chan 表示，Cadence 並且提供了專門因應多 chiplet 設計挑戰的 Integrity 3D-IC 平台，其為結合了系統規劃、封裝和系統級分析的完整解決方案。該平台支援台積電 3Dfabric 和 3Dblox 標準，透過基於該平台的新設計流程，客戶可以解決常見的 3D-IC 設計挑戰，並大幅提升 3D-IC 設計生產力，進而加快上市時間。
完美整合求解器 + GPU + AI，Cadence 推出 3D-IC 多物理系統分析平台
Cadence 多物理系統分析事業群研發副總裁 Ben Gu 表示，Cadence 致力打造結合多物理求解器 + GPU + AI 的 3D-IC 多物理系統分析（Multiphysics System Analysis, MSA）整合平台。在多物理場模擬分析領域，該公司透過 Sigrity、Clarity、Celsius Studio、Voltus 等求解器來進行電磁光力熱等多物理場模擬分析。
為了提升多物理場模擬效率，Cadence 推出了 Millennium平台，該平台是專為 3DIC 多物理場模擬打造的 GPU 加速平台，透過結合 GPU 加速運算平台與 Cadence 運算軟體以實現共同最佳化（Co-Optimized）的核心架構，該公司因此能將 AI、原則性模擬與最佳化，以及加速運算三個概念集合在單一系統中協同運作。
Millennium 宛如超級電腦，一台地端 Millennium（32 個 GPU）約當擁有 8,000 個 CPU 核心的算力。不僅如此，比起傳統 HPC，Millennium 平台能大幅降低運算成本達 10 倍，並減少 20 倍的能耗。
徹底釋放 Chiplet 顛覆級影響力，實現 2.5D/3D 先進封裝異質整合
在這次專家對談中，由 Cadence Fellow 暨 3D-IC 技術專家 Pinhong Chen 擔任主持人，邀請到 ARM 晶圓計畫資深總監 Frank Chen、創意電子市場部經理 Luke Huang、聯發科副總經理 Kevin Hu 與創鑫智慧平台執行總監 Hung-Lun Lian，主要從三方面來探討 Chiplet 的發展在未來具有極大的重要性。首先 Chiplet 能實現設計擴展（Design Expansion），晶片商可藉此將兩個 64 核的 Chiplet 相連成為 128 核，4 個連結成 256 核。其次是設計重複使用，如果廠商原本設計了一個 32 核 Chiplet 的運算系統，用於邊緣裝置上。將兩顆同樣的 die 合併成 64 核 Chiplet，便可用於 HPC 應用上，除此之外，同樣的 die + AI 加速器可用於 AI 伺服器。
Chiplet 第三個重要性就是能讓公司之間的互操作性成為可能，這方面最具代表性的設計案例，就屬日前聯發科與 NVIDIA 發表合作開發的 GB10 Grace Blackwell 超級晶片。再就異質整合而言，近幾年受到 AI、HPC 及資料中心蓬勃發展的影響，透過 2.5D/3D 先進封裝技術來實現異質整合已成為市場趨勢。此外，除了明、後年有望推出的第六代 HBM4/ HBM4E 受到矚目外，隨著 HBM4 為了降低功耗而開始採用邏輯製程來生產，客製化 HBM 也成為市場討論度極高的另一個焦點。
探索平衡一切挑戰的最優方案，建立生態系推進半導體產業發展
儘管 3D 封裝的重要性與好處明顯可見，但卻在機械、電子、熱、訊號/電源完整性（SI/PI）、成本、良率、生產週期時間、供應面技術及可擴展性等面向面臨許多挑戰。
對於 3D-IC 與 Chiplet 的今後發展，生態系統合作無疑將扮演推波助瀾的角色，其中尤以 EDA 軟體工具商與晶圓代工廠的大力配合最為關鍵。另一個值得關注的問題是，當前 Chiplet 製造商皆各有自己專屬的互連技術與協定。這使得 3D-IC 與 Chiplet 生態系成員在選擇小晶片互連 IP 時，會面臨選擇哪一個，甚至有可能選錯的問題。因此，業者應尋求能平衡各方面挑戰的最優化解決方案，並透過集思廣義共同研發開源互連 IP，建立完整生態系統共同推進半導體產業發展。
（首圖來源：Shutterstock）
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