在摩爾定律推進速度放慢與先進製程成本越來越昂貴的情況下，為了獲得更高效能、更高整合度，且具有成本效益的晶片，越來越多半導體業者開始採用Chiplet架構來設計自己的晶片，再透過先進封裝技術來實現整合。許多實際案例顯示，結合Chiplet跟先進封裝的IC元件，不僅在成本方面具有競爭力，而且可以提升元件效能，或實現更複雜的功能整合。但以Chiplet架構來設計元件，也會為設計團隊帶來挑戰。

元件的功耗跟散熱問題，一直是晶片設計者必須面對的主要挑戰，而這些問題在採用Chiplet與先進封裝後，會變得更複雜。因為一個封裝體內將整合多枚晶粒(Die)，且不同晶粒的功耗與發熱狀況可能會有很大的差異，在進行設計簽核時，必須要用新的工具平台來加以應對。此外，熱(Thermal)所帶來的膨脹效應，也會讓設計團隊必須更謹慎地處理機械應力方面的問題。因為不同晶粒的發熱狀況不同，意味著不均勻的膨脹，產生更大的應力，對元件的可靠度產生負面影響。

採用Chiplet架構，會讓設計團隊面對更複雜的電、訊號、熱，以及應力問題。設計團隊必須導入支援多重物理模擬的簽核工具平台，才能準確地找出設計可能存在的問題並加以修正。本文將以Redhawk-SC Electrothermal (ET)為主，探討在Chiplet時代，IC設計者所面臨的挑戰與解方。

老問題變得更加難纏

對IC設計者而言，不管是電源完整性(Power Integrity)、訊號完整性(Signal Integrity)、熱，以及其所衍生的機械應力/翹曲，都是存在多年的挑戰。但具有2.5D中介層或3D堆疊技術的現代多晶粒封裝，會把這些問題變得更複雜。由Chiplet組裝出複雜的整合系統，會讓電源、訊號與熱的問題更緊密地耦合起來。要準確預測這些系統整體行為的唯一方法是採用統一的分析環境，將多種工具中領先市場的引擎整合成同時多重物理量解決方案。

前面所提到的這些挑戰，根源都來自於晶片上的電源，要對這些彼此耦合的問題進行分析，必須從電源分析著手。Ansys的Redhawk-SC一直是業界的黃金標準，尤其是在分析電壓壓降(IR Drop)跟電子遷移(Electron Migration)這些應用方面。但針對Chiplet跟先進封裝所帶來的挑戰，設計團隊需要更專用的工具，因此Ansys在Redhawk-SC的基礎上，Ansys開發出Redhawk-SC Electrothermal (ET)這項延伸工具。

與典型的Redhawk-SC相比，Redhawk-SC ET可更仔細地解決多晶粒2.5D/3D IC結構的電氣和熱多重物理量互動。它使用來自Ansys RedHawk-SC的引擎，包括熱與機械工具來解出異質系統的功率和應力運算式。因此，Ansys RedHawk-SC ET可以解算精準的電熱、機械應力和位移運算式。同時，也使用了RedHawk-SC的彈性運算基礎架構，可以同時分析多達十億個執行個體(Instance)。

Ansys RedHawk-SC Electrothermal為一個基於業界標準的多物理場的晶片封裝系統模擬平台。

當設計人員在執行熱分析時，Redhawk-SC ET還能自動啟動AEDT/Icepak這類系統層級的分析工具，以便從中取得邊界條件。這項特性對於解決Chiplet這種本質上十分接近系統等級的設計專案而言，是相當關鍵的。

在訊號一致性方面，先進封裝內部不僅互聯的數量遠勝過傳統封裝，互聯的速度也更快，如何確保在內部互聯中傳遞的訊號正確無誤，也是設計團隊面臨的主要挑戰。RedHawk-SC ET透過支援在多晶粒封裝的整個3D堆疊中，擷取訊號和電源互連的RC寄生元件，協助設計人員對先進封裝設計的訊號完整性進行評估。

早期原型回饋/階層式建模提升設計生產力

除了專為Chiplet/先進封裝所設計的全面性模擬分析功能外，Redhawk-SC ET還有一個特殊功能，就是讓早期原型設計的工作變得更有效率。該工具可根據每個區塊的早期電源估計值，提供關於封裝的熱和電源完整性特性的早期原型回饋。所有結果都會顯示在互動式多晶粒檢視器中以便進行分析。設計人員進行原型設計時，能很快地評估設計完成後的大致結果，減少設計團隊走冤枉路的風險。

在設計流程中之所以會有簽核程序的存在，就是為了在產品實際投產之前，早一步找出設計中可能存在的問題，進而加以修正，減少設計團隊投入時間跟資金後，得到有問題的產品機率。因此，一個理想的簽核工具平台，必須要具備跟前段設計無縫銜接，彼此互動的能力，方能達到縮短設計時間，提高設計人員生產力的目標。在Redhawk-SC ET裡面，Ansys特別規畫早期原型回饋這項功能，讓設計團隊在原型開發的早期階段，就能大致評估最終設計的結果。

為了讓設計團隊能應對Chiplet/先進封裝這種極為複雜的設計專案，Redhawk-SC ET採用了廣泛的階層式建模格式，讓複雜的專案能有更清晰明瞭的結構。此外，整個3D組合件必須放置在完整的最上層系統視圖的分析中。RedHawk-SC ET透過擁有大量降階模型的材料庫來加速這項作業，擷取電源、熱、訊號完整性及ESD行為，以利簡單進行精簡交換與階層式分析。

Ansys RedHawk-SC Electrothermal為一個基於業界標準的多物理場的晶片封裝系統模擬平台。

簽核/設計實為一體兩面　無縫銜接至為重要

在設計與設計簽核之間實現無縫銜接，甚至在某種程度上做到互相融合，是EDA工具未來很重要的發展趨勢。在設計專案日益複雜，開發時間卻沒有增加的今天，IC設計團隊都面臨巨大的產品上市時程壓力。

為了緩解時間壓力，在個別工具層面，IC設計者希望工具能有更強大的平行處理能力，例如支援更多CPU，來縮短工具的執行時間(Runtime)。在工具執行效率方面，Redhawk-SC ET建立在Seascape巨量資料分析平台上，這是專為執行具有1,000個CPU核心的雲端所設計，具備近線性的可擴充性和極高容量，且每個核心佔用的記憶體很低。開發團隊可以用相對低的雲端/硬體基礎建設成本來完成分析作業。

流程的優化也很重要，要做到這點，工具之間的水平與垂直融合，是最基本的要求。多重物理模擬就是水平整合的代表，藉由將電源、訊號、應力分析引擎融合為一，Redhawk-SC ET將Chiplet/先進封裝設計所需要執行的設計簽核流程變得更單純、也更有效率。早期原型反饋則是希望能在垂直整合方面走得更遠，讓設計團隊從一開始就朝正確的方向邁進，提高團隊的生產力。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

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