Cadence宋栢安:期望成為3D IC演進最佳助攻手

作者 : Ryan Tsai,EE Times Taiwan

在3D IC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...

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

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

 

 

 

 

活動簡介
未來寬能隙半導體元件會在哪些應用成為主流?元件供應商又會開發出哪些新的應用寬能隙元件的電路架構,以協助電力系統開發商進一步簡化設計複雜度、提升系統整體效率?TechTaipei「寬能隙元件市場與技術發展研討會」將邀請寬能隙半導體的關鍵供應商一一為與會者解惑。
贊助廠商

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論