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
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）