平面芯片的终结？3D IC架构能否重塑芯片世界？

【摘要】3D IC作为芯片设计架构的立体解决方案，一度被认为能超越传统的性能尺度，是从二维芯片转向三维立体芯片转型的关键。

但同时，业内商业化仍面临设计、工具与统一标准等诸多问题。

后摩尔时代，想要承得起这份弯道超车的机会，十分依赖于产业链上更多厂商的深度合作，这为EDA行业也带来了不少新机会。

搜索添加芯流微信Aristodemus0403，深入交流更多芯片行业近况（不建群），市场与项目咨询、人才服务、决策研判。

以下是正文：

世界不是平的，芯片也有相似的场景。

伴随着对性能需求的高速变化，现有的芯片设计的平面架构之外，3D IC应运而生，甚至被认为是突破平面 SoC 极限的手段，也是将更多在不同工艺节点开发的异构芯片添加到同一封装中的方法。

物理定律在前，弯道超车的3D IC更像一个潘多拉魔盒。是否真能释放理想性能？同时牵动着传统平面架构和风险资本的诸多玩家。

01一个新机会？向着系统化前进

3D IC为什么被迫切需要？

在芯片制造的过程中，由于受到最大光刻面积的限制，单芯片的面积不能无限制增加，此时需要多次曝光进行拼接，对应的工艺难度将大大提升，芯片良率将显著降低。

晶体管数量的不断上升和芯片横向面积扩展受限之间的矛盾，催生了3D IC这一先进工艺。

3D IC 设计的异构集成能力可在更小的面积内提供更高的功能密度，其垂直架构还减少了互连长度，允许芯片之间更快的数据交换，满足了对速度、更多功能和更低功耗不断增长的需求。

在如今摩尔定律逐渐逼近物理极限的情况下，3D IC被认为具有“超越摩尔定律”的潜力，有望成为后摩时代下突破SoC集成度、性能等方面瓶颈的关键技术。

与此同时，3D IC 还象征着芯片设计系统化的趋势，能够把逻辑、存储、模拟、射频和MEMS集成到同一空间的不同技术节点中，从而创建高度定制和高效的解决方案，以满足特定的应用需求。

从某种角度来看，3D IC就是DTCO（设计技术协同优化）向STCO（系统技术协同优化）的升级，是从系统的层面去设计芯片。举例而言，从DDR进化到HBM，就是一个用3D 堆叠方式来做系统的过程，HBM的架构和要实现的事情与以前大不相同，已经超出了原先SOC的范畴了。

如同英伟达将GPU与其他功能整合在一个机柜中、新思收购Ansys、特斯拉自研动力系统一样，3D IC也同样体现的是产业思路的转变。

据业内人士透露，目前所有大厂都在往系统化方向发力，尤其希望拓展自身的产品矩阵。

比较典型的案例是，龙头英伟达做GPU时，同时整合了存储、硅光等模块，甚至最近还要增加，这并不是单纯地在做芯片，而是在制造一个真正超大规模的系统。

哪怕是主营新能源汽车的特斯拉，在囤积了足够多的英伟达的芯片情况下，还是建立了自己的AI计算中心、自主研发芯片。

据知情人士透露，一个重要原因是英伟达的芯片并不能完美地适配特斯拉的架构，而特斯拉自主研发的芯片落地后仅半年时间就让算力中心的算力提高了200倍，效果惊人。

芯片设计的逻辑类似。越来越多的国际大厂都在朝着系统化进发，尽管中国大陆市场相对进度较慢，芯片设计还是以SOC为主，但北美等区域中3D IC已经成为了主流。

实际上，3D IC对国内芯片产业是一个千载难逢的机会。

目前国内先进制程产能本身有限，且其物理机制决定了没有办法通过简单方式提升制程，从40nm堆叠到3nm基本没有可能。

据业内人士介绍，倘若是感存算输一体化构建系统，即便在算力这块稍显弱势，或许也有机会从存储方面进行弥补，如果传输方面铜互连稍显不足，也可以尝试下光互连，甚至传统电计算搞不定的情况下，可以做下光计算等各类尝试。

从类似做汽车配件整合的思路去探索芯片整合，从系统架构的高度去思考问题，或许是中国芯片行业的一条新路。

023D IC困境：设计、工具与统一标准

遗憾的是，尽管 3D IC 设计具有众多优势，但目前为止推进较为缓慢。

在平面芯片中创建立体设计本来就是一大难题。

由于各种元件非常接近，不同物理现象之间存在错综复杂的相互作用，设计师们必须要克服结构、热、电源和信号完整性等许多根本性难题。

一系列衍生问题都指向了散热。高级节点中较小的导线会增加电阻，从而增加热量，晶体管密度的提高也会提出比单芯片更高的散热需求。

热致翘曲是其中一项重要难题。随着高度密集的异质材料配置导致温度升高，并需要复杂的热系数建模以避免产量损失，翘曲问题出现的越发频繁。此外，基板变得更薄，也降低了它们将热量从设备中排出的能力。

此外，机械应力也与热问题密切相关。随着温度升高，导线会变形，机械应力随之改变，最终影响芯片的可靠性和使用寿命。

另一边，3D IC 中的高电流密度和复杂的电源传输网络则会导致电压下降和电源完整性问题，而复杂的互连结构和电磁耦合会影响信号完整性，导致时序违规和性能下降。

所有这些都要求设计人员在最佳性能规格和不配合的物理现实之间找到越来越脆弱的平衡。

不仅如此，如何整合来自不同功能领域的芯片（例如逻辑、存储器、模拟和射频等）对3D IC至关重要。

各领域之间的设计需求存在显著差异，例如模拟电路对噪声敏感，而数字电路则注重速度与功耗控制。设计人员需要从系统级层面考虑如何将这些异质芯片整合，不仅要考虑每一层芯片的独立设计，还需要跨层面分析信号完整性口、时序、功耗等问题。

一方面现有的EDA工具难以解决3D IC复杂的多物理场仿真需求，另一方面分散的点工具之间互操作性较差，难以满足3D IC设计全面的系统级优化需要。

Ansys产品营销总监Marc Swinnen也曾指出，“3D IC改变的不仅仅是问题的规模，还有问题的性质，挑战在于我们有一个芯片团队、一个封装团队、一个系统团队，他们处理不同的规模、不同的工具、不同的语言、不同的格式，它们都与 3D IC 碰撞在一起，而工具还没有准备好。”

目前行业正在通过技术合作、并购重组等方式进行整合。未来或将出现统一标准，不同公司不同类型的芯片在该标准下都可以通过直接拼合组装，实现产品的强强联合。客户也将拥有自主搭配芯片的灵活性，倘若其中的某一类芯片更新迭代了，客户也只需要像换扣子一样直接替换掉，这是非常高效的做法。

据知情人士透露，现有芯片的研发耗时很久，从买IP到经过验证再到形成SOC，可能要两三年时间。但如果接口的兼容性问题能得到解决，芯片的研发速度、迭代周期、灵活程度都将实现一个飞跃。

业界已经开始尝试这种单独售卖某一模块的方式，有消息称Intel今年上半年就单独售卖过CPU模块，用户可以拿回去自己搭配使用。

这对EDA公司本身也是一件利好。

因为目前国内做3D芯片的公司还比较依赖于设计服务公司，需要依靠其完成后端验证、流片，因此设计服务公司对选择EDA点工具有较大的话语权。

目前3D IC尚处于混战时代，许多标准尚未统一。

过去做传统SIP时，每个IP和工艺节点等都是指定的，比如指定台积电的16纳米或者12纳米，以及工厂都是固定好的。

倘若标准接口，包括部分底层数据、协议等都实现了统一，设计服务公司的影响力就会下降，EDA公司的议价权也能随着上升。且整机系统公司也可以下沉自己去做芯片，自主研发I/O或成熟模块并把握规模。

行业生态或将因此发生彻底改变。

03产业链走向合作创新

紧密合作是半导体创新的重要推动力量，许多解决方案都是晶圆厂与EDA共同努力的直接结晶，3D IC也不例外。

由于3D IC中各种元件非常接近，不同物理现象之间存在错综复杂的相互作用，因此引发了各种各样的问题，而了解所有可能的相互作用则需要多物理场仿真。

这方面，绕不开正在被EDA龙头新思收购的Ansys。

Ansys的CPS Platform提供了系统级的多物理层耦合的仿真平台，覆盖电磁，电热，应力多个学科。其计算分析模块包含了结构（线性、非线性）分析、流体动力学分析、电磁场分析等模块，必要时还可进行多物理场耦合分析，能够有效解决电子封装产品的可靠性、热性能、电性能等问题。

得益于Ansys在多物理场仿真上的突出实力，台积电与Ansys进行了深入且持续的合作，包括Redhawk-SC Electrothermal™热和多物理场签核平台、RedHawk-SC™电源完整性签核平台等等，还纳入了机械应力分析解决方案。

国内在3D IC发力的公司则是成立于2010年的芯和半导体。其目前是国内唯一具有封装全流程设计仿真平台的厂商，拥有多种自主创新的多物理场仿真引擎技术。其对标Ansys产品工具自主开发的3D IC Chiplet多物理场仿真平台能够解决信号完整性、电源完整性、电磁、热和应力等方面的问题。

在先进工艺端，芯和半导体已通过各大晶圆厂的主流工艺认证，具有业界顶尖的片上芯片建模和仿真能力，可保障芯片级的性能-功耗-尺寸（PPA）最佳平衡。

早在2021年，芯和半导体就正式成为三星SAFE-EDA生态系统合作伙伴，其片上无源电磁场（EM）仿真套件已成功通过三星晶圆厂的8纳米低功耗（8LPP）工艺技术认证。

在先进封装端，芯和半导体的仿真分析方案从传统封装延伸到3D IC异构集成先进封装领域，在2021年就全球首发了3DIC Chiplet 先进封装系统设计分析全流程EDA平台，提供了完整的SI/PI/电磁/电热/应力等多物理场仿真分析能力，支持TSMC CoWos、三星I-Cube、H-Cube、X-Cube在内的众多主流先进封装工艺。

目前，芯和的3D IC聚焦的是系统级的Chiplet通用分析平台，其中最核心的是其大规模、跨尺度的电磁仿真引擎技术。

据介绍，芯和半导体的仿真引擎的速度已能达到国际友商的十倍，而内存损耗仅为其二十分之一。这一方面，能让工程师进行更多的迭代，减少设计错误，提高良率与可靠性；更重要的是，这可以大大节省服务器资源，减少license使用数量，降低企业的开发成本。这个平台已被全球多家顶流芯片设计公司采用，设计下一代面向人工智能、数据中心、汽车电子和AR/VR市场的高性能计算芯片，包括CPU/GPU/NPU等，也是推动和完善国内Chiplet产业链生态建设的重要力量。

04结语

基于更小面积、更高功能密度带来的结构、热、电源等众多问题，3D IC实际十分复杂。而逻辑、存储器、模拟和射频等不同功能领域的芯片的集合则对设计者的系统级设计能力提出了挑战。

后摩尔时代，想要承得起这份弯道超车的机会，十分依赖于产业链上更多厂商的深度合作，这为EDA行业带来了不少新机会。

不仅如此，共同语言和明确规则的诞生，也对诸多合作厂商之间构建系统至关重要。

搜索添加芯流微信Aristodemus0403，深入交流更多芯片行业新进展（不建群），市场与项目咨询、人才服务、决策研判。

加入芯流芯片研究知识星球，获取更多一手信息及行业、公司判断，辅助更好优质决策。

- XINLIU -

喜欢就奖励芯流一个“”和“在看”呗~