随着多芯粒(Die)封装从2D逐渐过渡到3D,高带宽高密度互连的异构集成和Chiplet成了最近很火的一个技术方向。因为Chiplet不仅可以帮助系统公司更容易地自定义创新芯片,也可以帮助中小型的芯片公司和团队降低创新门槛,把资源投入在核心创新点上。
简单而言,异构集成和Chiplet是将不同工艺制程、不同性质的芯片以二维拆解或三维堆叠的方式,整合在一个封装体内的集成电路。3DIC产业在硅基集成电路产业发展的基础上,增加了各类堆叠和互连技术,比如2.5D硅中介基板与硅通孔(TSV)。此外,在传统封测产业的发展基础上,也有技术的延展,比如支持超小互连密度的有机中介载板等。DDfesmc
Chiplet中其实包含了很多EDA相关的新技术,比如说与制造相关的功耗分析、散热分析等。但目前,不但国外商业工具占据了EDA市场的大部分市场份额,现有的大部分也都是点工具和碎片化方案,都停留在单芯片流程和单芯片模式,无法高效承载多芯片模式下的Chiplet设计,尤其是在工艺适配完整方案方面。同时,Chiplet芯片的设计验证也对传统EDA工具提出了新的要求,特别是在验证技术和工具方面,实际上已经成为Chiplet发展的瓶颈之一。DDfesmc
芯华章科技首席市场战略官谢仲辉指出,当前这种以单一公司完成Chiplet SoC全系统设计为主的模式,在未来会被多厂商合作的新型Chiplet流程模式打破,并在IP建模、互连架构分析等系统级性能(Performance)、功耗(Power)和功能(Function)验证方面,提出新的验证需求。 DDfesmc
“要实现全新的Chiplet产业结构,不能仅仅只解决制造问题,必须要通过异构、系统集成的方式,体现从系统设计出发的理念。”谢仲辉表示,在制程工艺逼近极限的当下,半导体设计产业开始更多考虑系统、架构、软硬件协同等要素,从系统应用来导向、从应用来导向去驱动芯片设计,让用户得到更好的体验。DDfesmc
为此,芯华章也提出了针对性的“敏捷验证”方案,以低成本、高效率迭代为核心,明确指出“自动和智能的快速迭代”、“提早进行系统级验证”、“统一的数据库和调试手段”三大技术方向,加速系统设计与架构创新,从整体上降低芯片开发的成本、风险和难度。DDfesmc
华大九天副总经理郭继旺在接受本刊采访时称,国内EDA相对起步较晚,目前尚无成熟的Chiplet设计商用方案,工艺适配技术也才起步,和国外领先的各大EDA版图工具还有一定的差距。“无论是国外还是国内,在EDA方案中,高效智能的工艺适配Chiplet PDK及设计验证技术都是Chiplet设计面临的一个重大瓶颈问题。”他说,业界迫切需要一套针对Chiplet设计和验证的EDA工具,并开发适配Chiplet工艺以及EDA工具的先进封装PDK,再联合Chiplet设计公司进行设计验证,形成从制造、设计到EDA协同发展的闭环生态系统。DDfesmc
从设计方法学角度来看,从早期的规划、布局布线,到验证分析,再到结合了封装基板设计的各类技术,异构集成和chiplet小芯片微系统与硅基模拟集成电路设计的方法学也是相似的。所以郭继旺建议指出,国内3DIC EDA的发展,可以以模拟芯片设计软件技术为基础,结合封装设计的各个模块进行融合,并进一步开发缺失以及有差异化的模块,形成一套3DIC微系统设计EDA全流程工具。DDfesmc
芯和半导体联合创始人、高级副总裁代文亮博士则将异构集成和Chiplet对EDA的影响归结为两个方面:首先,采用Chiplet技术将逻辑、模拟、存储等功能模块集成到单颗芯片后,传统单一功能的分析变成了复杂的系统级协同仿真,如信号、电源、热、应力、版图等方面的一致性设计,使得EDA工具需要应对芯片设计与仿真越来越复杂的挑战。DDfesmc
其次,单芯片规模呈现爆发性增长,业界领先处理器芯片的晶体管集成已超千亿,十分庞大,各单点分析工具的模型和接口设置转换繁琐,对EDA工具全流程自动化提出了更高的要求,EDA工具设计效率要持续提高匹配芯粒发展的需求。DDfesmc
经过十多年的积累和沉淀,芯和半导体已经发布了Chiplet先进封装设计分析全流程EDA平台,这是业界首个用于3DIC多芯片系统设计分析的统一平台,为客户构建了一个完全集成、性能卓著且易于使用的环境。DDfesmc
据悉,该平台提供了从架构探索、物理实现、分析验证、信号完整性分析、电源完整性分析到最终签核的3DIC全流程解决方案,是一个完全集成的单一操作环境,极大地提高3DIC设计的迭代速度,并做到了全流程无盲区的设计分析自动化。它突破了传统封装技术的极限,同时支持芯片间几十万根的互连,具备在芯片-中介层(Interposer)-封装整个系统级别的协同仿真分析能力。DDfesmc
同时,该平台还提供了设计分析自动化功能,具备信号/电源完整性快速评估和优化,通过专属的散热和降噪技术,大大减少设计迭代的次数。“速度-平衡-精度”三种仿真模式可以帮助工程师在Chiplet设计的每一个阶段,根据自己的应用场景选择最佳的模式,以实现仿真速度和精度的权衡,更快地收敛到最佳方案。DDfesmc
值得我们关注的,不是只有异构集成和Chiplet技术。DDfesmc
后摩尔时代诸多新兴应用的兴起,使得AI、GPGPU、HPC、自动驾驶芯片的开发成为市场热点,也导致先进工艺节点下的高端芯片规模、性能要求日益走高,验证复杂度呈几何倍数增长,开发成本越来越昂贵。同时,由于大规模SoC的多核复用,业界也需要更新的设计方法学EDA工具来解决新的问题。DDfesmc
分析数据显示,28nm工艺开发成本约4000万美元,16nm约9000万美元,而7nm直接飙升至2.5亿美元,5nm就是4.5亿美元,去年宣称开始量产的3nm为5.8亿美元,2nm更是高达7亿多美元,约合人民币50亿元。DDfesmc
另一方面,国内芯片产业近几年获得了高速发展,为了让产品获得更好的市场竞争力,必然会向先进工艺迈进,越来越多的IC设计企业迫切期望得到更贴近国内芯片设计生态和应用需要的EDA工具支撑,那么在紧密联合先进工艺,满足行业需求、支持行业发展方面,国产EDA的表现又是怎样的呢?DDfesmc
合见工软副总裁刘海燕表示,现在开发一款大规模芯片,验证工程师人数、验证时间和成本都在高速增长,这对验证工具的性能有着很高的要求。另一方面,为了满足对复杂功能的需求,市场上的大部分芯片都采用了多核结构。随着工艺节点趋近极限,晶圆厂已经在探索是否能突破2纳米甚至1纳米的标线,为了追求PPA和成本的最优解,多核多Die正成为时下芯片设计的趋势。DDfesmc
自从2021年正式运营以来,合见工软仅在验证领域就已经发布了从原型验证到数字仿真、调试、测试管理等多款产品。“国产EDA工具不再是补充中低端应用市场,而是在对标着国际最领先的产品。”刘海燕介绍称,以合见工软原型验证平台UV APS为例,该产品可支持10亿门以上的芯片设计规模,提供基于时序驱动的自动分割,平台的性能及指标可超越国际最领先的原型验证产品。自面世以来,已经在高性能计算、5G通信、GPU、人工智能、汽车电子等国内头部企业中成功部署应用,对优化国产芯片开发效率、节省芯片设计成本起到了决定性作用,填补了国内硬件仿真编译器技术领域的空白。 DDfesmc
要应对Chiplet在先进封装的挑战,打破在复杂多维空间系统级设计互连,实现数据的一致性和信号、电源、热、应力的完整性,合见工软先后发布了先进封装协同设计环境UVI和其功能增强版。UVI增强版首次真正意义上实现了系统级Sign-off功能,可在同一设计环境中导入多种格式的IC、Interposer、Package和PCB数据,支持全面的系统互连一致性检查(System-Level LVS),同时在检查效率、图形显示、灵活度与精度上都有大幅提升。DDfesmc
而在谢仲辉看来,在后摩尔时代工艺逼近极限,先进工艺技术受限的情况下,更应该善用前端EDA工具来进行技术创新,走出一条差异化的发展道路。为了达成系统、应用对芯片的要求,将促使大家更多从系统设计角度出发,通过系统、架构的创新,以应用导向驱动芯片设计,实现对系统能力的提升,降低对先进工艺的依赖。DDfesmc
也就是说,通过借助先进的数字前端EDA工具,加速芯片设计中的算法创新和架构创新,从而赋能系统级应用创新,某种程度上可以弥补芯片制程工艺落后带来的影响,降低对传统工艺的依赖和限制,降低芯片供应链的风险。DDfesmc
但其实,供应链和生态链的建设始终是国产EDA发展和突破的难点之一。EDA行业本身是为半导体产业服务的,必须和整个半导体产业共同发展,先进工艺、先进封装和先进设计必须伴随着EDA一起成长,因为没有生态链就不存在EDA工具的使用。DDfesmc
举例而言,IC设计公司需要EDA工具能够支持晶圆厂的PDK工艺,否则就不敢贸然使用,毕竟一旦设计出来的东西不符合晶圆厂工艺需要,造成的损失是不可估量的。然而,晶圆厂对中小EDA工具的认证却并不感兴趣——配合EDA工具做评估认证需要耗费晶圆厂的技术精力,而认证完毕加入到晶圆厂PDK工艺后,客户一旦在使用过程中出现了问题,晶圆厂同样要承担巨大的风险。DDfesmc
代文亮博士分享了芯和过去几年内在生态链构建方面的经验和成绩。由于常年服务于国内外龙头设计公司和晶圆制造厂,芯和与所有主流晶圆厂、封装厂、全球四大EDA公司及全球两大云平台都建立了非常稳定的合作伙伴关系。目前,芯和EDA工具在半导体先进工艺节点和先进封装上不断得到验证,无缝嵌入各大主流EDA设计平台中,并在用户易用性方面做了深层优化,全面降低工程师的使用门槛,提升设计质量和效率。DDfesmc
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而作为国内最大的EDA提供商,郭继旺说华大九天目前在做两方面的工作:一个是补短板实现全流程,另一个就是努力支持先进工艺。针对后者,不但多款仿真和数字产品实现了对5nm工艺的支持,而且同不少拥有先进工艺的晶圆厂保持着紧密合作关系,生态系统建设成绩斐然。DDfesmc
3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“EDA/IP 与 IC 设计论坛”,为大家提供一个高效交流的互动平台,欢迎感兴趣的朋友到场交流。点击或扫码报名:https://m.zhundao.net/event/342548?track=0135DDfesmc
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