異質整合(Heterogeneous Integration)被視為摩爾定律(Moore’s Law)存續的重要技術，其中，以晶片堆疊技術打造的3D IC，極為複雜的內部架構，以及電性、散熱、電磁等多重物理場現象的處理，不只讓IC設計本身變得困難，如何將各類工具進行整合，更成為電子設計自動化(Electronic Design Automation，EDA)廠的重要課題。不過，在技術成為話題前，EDA大廠益華電腦(Cadence Design System)早從2018年起，即悄悄備妥了神兵利器。
Cadence台灣區總經理宋栢安
3D IC係指將不同的晶粒(Die)堆疊，運用矽穿孔(TSV)的方式在垂直方向相互連接，再藉由封裝成為單一晶片。這個概念最早出現在2004年，當時英特爾(Intel)曾展示3D版本的Pentium 4中央處理器(CPU)然而由於技術本身難度高，且傳統2D IC尚足以滿足大多數的運算需求，各廠商對3D IC技術的投入也就相對顯得保守。
Cadence台灣區總經理宋栢安形容，3D IC就像蓋摩天大樓，相較以前的單層平房2D IC，從1D空間走到3D空間擴大了設計的變化空間，但設計難度跟運算的複雜度也大幅提升，衍生的資料量更比過往還多，如何達到運算力和熱、電、磁等多物理場特性的最佳化，以及有效率的處理跟管理跨不同工具平台的資料，需要針對設計流程的多個面向做更全面的考量。
然而，隨著人工智慧(AI)、高效能運算(HPC)等前瞻技術加速發展，傳統IC設計及製程漸漸無法滿足新興應用對效能的渴望，3D IC或2.5D IC這類異質整合的新世代IC，成了眼下被寄予厚望的解決方案。因此，由台積電、Intel等大廠為首，半導體業界近年紛紛加大力道投入異質整合製造和設計的研發；歸功於超前部署，Cadence不僅加入戰局，更在去年就領先業界推出整合設計規劃、物理實現和系統分析模擬工具的解決方案「Integrity 3D-IC」平台。
領先業界並非偶然 提前三年佈局累積能量
如何準確模擬3D IC複雜的架構及多重物理場特性，是EDA廠進軍此領域的一大考驗；大多數的EDA廠擁有電子設計實力和工具，但未必同時兼備多重物理場模擬分析的Know-how。2018年起，Cadence意識到未來電子設計若發展到小晶片(Chiplet)及3D IC，多物理場模擬工具重要性將與日俱增，便以自主研發及戰略性收購，雙管齊下啟動跨域佈局，期望從設計到生產的「全流程設計」理念，實現從IC、封裝、電路板模組到系統設計的創新。
歷經幾年的努力，Cadence逐步打造如Clarity 3D求解器、Celsius熱求解器、訊號/電源完整性(SI/PI)解決方案Sigrity X等多物理場模擬工具，加上其原有完整的EDA工具，讓Integrity 3D-IC平台在如今業界大力推動3D IC技術起飛之際，更凸顯出其與眾不同的價值。提到Cadence在模擬工具的多方佈局，宋栢安也信心滿滿的說，「我們是唯一提供包含矽智財(IP)、單晶片到封裝，乃至系統都有相對應解決方案的EDA公司！」
Cadence針對3D IC設計流程痛點打造「Integrity 3D-IC」平台，整合設計規劃、物理實現和系統分析模擬工具的解決方案。
(來源：Cadence)
有了Integrity 3D-IC平台，設計者能實現系統合作完成設計堆疊管理、晶片到封裝訊號對應，以及先進凸塊和TSV封裝規劃；跟「Virtuoso」及「Allegro」兩平台整合使用，亦可做跨平台協同設計，完成跨晶片、封裝、PCB電路板設計和佈線等流程的模擬；流程管理器則可用於進行設置早期熱分析、晶片間物理幾何結構驗證等工作。
整合多元的工具外，每個工具的模擬都具備一定水準的準確度，亦為Integrity 3D-IC平台的特點之一。宋栢安解釋，過往一般工具作實驗模擬跟實際應用，呈現出來的結果可能存有落差，這個落差必須要能預測，不能使其成為隨機且無法預測的變數，比如當計算跟實際測量都有5%誤差，就應該也要能模擬出來，而Integrity 3D-IC平台上的工具，已經能做到讓實驗模擬跟實際應用的結果非常相近。
Integrity 3D-IC平台問世後，獲得業界不少掌聲，Cadence以此平台技術為題發表的「3D-IC整合型設計平台」論文，更在台積電2021年北美開放創新平台(Open Innovation Platform，OIP)生態系統論壇，獲得年度客戶首選獎。宋栢安透露，目前反饋非常好，接下來會繼續依客戶需求跟設計方法進步，持續優化工具，以現有架構為基礎實現更快、更好的運算力。
談及Cadence如何在跨入多重物理場分析也能成功，宋栢安點出箇中關鍵，在於他們深耕30多年累積的運算實力。「回到事情源頭，我們只做運算的最佳化，」他指出，跨到多重物理分析，比起相對單純的電學、熱學跟磁學的基礎都是流體力學，從物理學的角度，觀念都是數百年前就建立，現在是要看如何用模擬跟運算的方式把它模擬出來，「用數位工具模擬世界真正的物理現象，這也就是現在要做的事」。
就如過去EDA要滿足IC設計人員所設定「PPA 」(指功率Power、效能Performance、面積Area)的目標，宋栢安表示，未來3D IC的整合型工具，將期望實現設計者的系統級PPA目標，以提升工具完整性、運算速度及準確度三大方向持續進化，「現在分析的東西跨足多領域，比以前更為複雜，如何做到又快又準，同時讓使用者方便設計，是Cadence研發模擬工具最基本的原則，也是接下來幾年更需要發展的部分。」
整體3D IC應用市場及技術發展，正逐漸顯現邁入起飛階段之勢，宋栢安也認為，「大家已經慢慢看到3D IC的好處」。他表示，目前在資料中心等HPC的應用，需要很大的運算力跟資料傳輸頻寬，就會需要3D IC，記憶體跟邏輯IC一疊加上去，頻寬就比以前快10倍以上；穿戴式裝置或電動車等整合大量感測器的應用，也會有需求；雖成本仍較高，不過業界廠商都在持續升級製造及設計技術，可望先從成本高但需要高效能的應用，逐漸擴散到更通用的產品，最快3~5年內，有機會到一個相對好的「甜蜜點」。
Cadence以運算為核心多路並進轉型
以運算為核心跳脫電子世界的多路並進，是Cadence擘劃的未來藍圖，他們也馬不停蹄陸續再跨入空氣力學、RF設計、資料中心最佳化、生物模擬等領域，今年並結合運算軟體技術及去年收購NUMECA和Pointwise的技術，推出運算流體力學(CFD)軟體平台「Fidelity」。今年Cadence的年度盛會「CadenceLIVE Taiwan台灣使用者大會」，宋栢安也宣示將EDA中代表E的Electronic改為Essential，意味著他們這條轉型路不僅會繼續向前行，而且會越走越廣。
「半導體未來10年將有突破性發展！」宋栢安之所以做此預期，是他認為運算力的進展已經到一個轉折點，無論AI或機器學習(Machine Learning，ML)，所有應用都在高速發展，應用發展空間無窮，甚至可以說世界已經到一個只有想像才能限制發展的階段，半導體不只將持續追求運算力提升和功耗降低，更會追求近乎高能效的進展，讓運算越來越貼近人腦。
因此結合AI跟ML，亦為Cadence接下來技術發展的重點方向之一，Cadence總裁暨執行長Anirudh Devgan於大會發表專題演說時，也特別點出AI驅動設計最佳化的創新；其中一個創新，就是他們去年推出的「Cerebrus智慧晶片設計工具」(Cerebrus Intelligent Chip Explorer)。結合ML技術，Cerebrus能找到工程師可能不會嘗試或探索的流程解決方案；針對多個模組進行暫存器傳輸級(RTL)到影像資料系統(GDS)流程自動優化，亦可提高全設計團隊的生產力。
以Cerebrus為基礎，Cadence也在今年6月更進一步結合AI推出業界首創的Optimality智慧系統引擎(Intelligent System Explorer)，提供業界多學科分析和優化(MDAO)的In-design多物理場系統分析解決方案。客戶能從Clarity、Sigrity X等模擬工具環境中啟動Optimality，以快速達到MDAO；據Cadence提供的資料，Optimality提供的優化設計比手動方法平均快10倍。
Cerebrus和Optimality推出至今，已有不少知名大廠導入；其中，聯發科技即利用Cerebrus佈局規劃優化功能，將系統單晶片(SoC)模組IC面積縮小5%、功耗降低6%，並藉由Optimality搭配Clarity 3D，在112G PAM4串列器/解串列器(SerDes)設計專案實現75%的效能提升。宋栢安指出，改以ML取代人類做決定的流程，讓以前要幾個月的複雜系統設計流程，縮短到幾個禮拜就做完，對整體流程來說幫助很大，如Cerebrus今年就更顯著在市場上發光發熱。
展望未來，宋栢安也表示，Cadence將繼續投資台灣這個亞太區重要的研發中心，同時強化在跨域人才的招募及養成，「台灣有得天獨厚的環境，半導體產業鏈都在台灣，這是我們可以扮演的角色。」他透露，過去5年來，台灣Cadence人數大幅成長，以前大多找電腦科學或電子電機相關背景的人，近兩年包括物理、化學、甚至材料系的人才或學生，也都是公司的招募對象，「這跟以前不太一樣」，若工程師進到Cadence，能掌握基本運算跟電腦軟體能力，對未來發展將相當有助益。
觀察整體半導體產業景氣，宋栢安認為，相較衰退，修正是比較合理的說法，新冠肺炎爆發後至去年這波大成長，屬於特殊現象，但舉凡電動車、HPC、AI、5G、物聯網(IoT)等新興應用需求，成長沒有減緩且一直往前進步，顯示整體產業仍維持向上的走勢，接下來預計應是回到疫情前的緩步成長。對Cadence來說，他認為現在市場跳脫出電子領域，成長的限制只剩他們的想像力跟執行力，在各多領域站穩角度，就是未來幾年的重要方向，「只要需要運算軟體，都是我們的市場」。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年11月號
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