EDA半導體行業正處在一個關鍵轉折點，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)系統級芯片(SoC)轉向堆疊的 3D IC，從根本上改變了設計環境。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——創造了一個緊密耦合的環境，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。傳統的 SoC 設計通常依賴于高層次 RTL 描述，許多物理優化在早期就已固定，后期難以更改。3D IC 的復雜性和物理耦合要求在 RTL 和布局規劃階段就更早地從物理驅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，并實現具有成本效益的緩解。持續的多物理場評估必須從布局規劃開始，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可靠性和良率。

將IC設計提升至系統級

3D IC 需要專業團隊之間的緊密協作：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架構師和 RTL 開發人員。每個團隊都有自己的工具鏈和數據標準，通常具有不同的網表命名約定、組件方向和功能定義，這導致了溝通和集成方面的挑戰。除了內部挑戰，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，各方的方法論和數據格式各不相同。雖然使用現成的芯粒提供了靈活性并加速了開發，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格，這強調了需要更緊密的行業協作。解決這些差異需要一位系統級負責人，并得到能夠統一方法論和聚合跨領域數據的全面 EDA 平臺的支持。這確保了數據一致性，并減少了孤島式工作流程固有的錯誤。對于 EDA 供應商而言，開發能夠實現這種協作的包容性環境和工具至關重要。公司間的協作現在也依賴于更強大的數據交換工具和方法論。EDA 供應商通過提供在無晶圓廠公司、晶圓廠和 OSAT 之間實現無縫通信和數據聚合的平臺和標準，發揮著核心作用。在行業層面，新的標準和 3D IC 設計套件——例如由 CDX 工作組和行業合作伙伴開發的那些——正在涌現以應對這些挑戰，為描述 3D IC 組件、接口和封裝架構打造一種通用語言。這些標準對于實現跨不同團隊和供應鏈合作伙伴的可靠數據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。

數字李生與預測性多物理場

數字孿生概念將多物理場分析擴展到整個產品生命周期。維護一個精確的數字表示——從晶體管級細節到全系統集成——使得預測性仿真和優化成為可能，并能考慮到直至封裝、電路板甚至系統級的相互作用。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品的可靠性。

數字孿生將多物理場分析擴展到整個產品生命周期

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據進行增強。將來自封裝級分析的溫度和應力結果反向標注到芯粒網表中，為更精確的系統級電氣仿真奠定了基礎。這個反饋循環正成為簽核的關鍵部分，確保每個芯粒在組裝后的系統中在其操作窗口內正常運行。

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，即持續的熱量產生進一步降低電氣性能，并因不同材料熱膨脹系數的差異而產生機械應力。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。為了實現預測性設計，行業需要標準化的"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。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境。雖然用于此過程的工具鏈正在不斷發展，但趨勢是明確的：全面的、物理感知的仿真和數據交換將成為 3D IC 設計簽核不可或缺的一部分，確保可靠的運行和最佳的系統性能。

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的一個變革時期，從根本上重塑了復雜系統的設計、驗證和制造方式。3D IC 技術標志著半導體創新的飛躍。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作。建立通用標準、實現系統級優化以及采用數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——跨越 EDA、半導體和系統開發商——正朝著統一的系統級平臺邁進，該平臺允許設計人員在一個"單一駕駛艙"環境中進行迭代和優化多物理場分析。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、方法論和協作的持續進步，半導體行業能夠釋放 3D 集成的全部潛力——交付下一代電子系統，突破能力、效率和創新的界限。