隨著摩爾定律逐漸接近物理極限，傳統(tǒng)的二維集成電路技術(shù)在性能提升和芯片密度方面遇到了瓶頸。為了滿足日益增長的高性能計算、人工智能等應(yīng)用需求，3D IC技術(shù)應(yīng)運而生，通過將多個芯片和器件在垂直方向上進行堆疊，極大地提高了芯片的集成度和性能，成為未來集成電路產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。然而，3D IC在設(shè)計過程中也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

高效協(xié)同平臺，重塑異構(gòu)復(fù)雜設(shè)計范式

3D IC的設(shè)計復(fù)雜度遠超傳統(tǒng)平面IC，其核心在于需要將不同功能、不同工藝的芯片集成在一起，形成一個高性能的系統(tǒng)。這種復(fù)雜的設(shè)計過程通常涉及多個工程團隊的分布式設(shè)計，而缺乏統(tǒng)一的設(shè)計管理環(huán)境使得跨系統(tǒng)連接規(guī)劃和協(xié)調(diào)變得極為困難。與此同時，3D IC的設(shè)計規(guī)模不斷擴大，目前業(yè)界領(lǐng)先的3D IC已有多達百萬個管腳，這對設(shè)計工具的性能和效率提出了極高的要求。

2024年，西門子EDA推出Innovator3D IC解決方案，助力IC設(shè)計師高效創(chuàng)建、仿真和管理異構(gòu)集成的2.5D/3D IC設(shè)計。設(shè)計團隊能夠高效管理3D IC系統(tǒng)數(shù)據(jù)并實現(xiàn)有效關(guān)聯(lián)，不僅可以一鍵導(dǎo)出文件至仿真與驗證工具，快速執(zhí)行評估，而且清晰的數(shù)據(jù)傳遞能夠助力設(shè)計團隊精準預(yù)測和規(guī)避下游問題。

2025年6月，Innovator3D IC套件發(fā)布，具備強大的多線程與多核處理能力，可為500多萬管腳的設(shè)計提供優(yōu)化的性能。其中，Innovator3D IC Integrator，可通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型構(gòu)建數(shù)字孿生的整合集成環(huán)境，以用于設(shè)計規(guī)劃、原型驗證及預(yù)測分析；Innovator3D IC Layout解決方案，可用于“設(shè)計即正確”封裝中介層與基底實現(xiàn)；Innovator3D IC Protocol Analyzer，可用于芯粒間及裸片間接口合規(guī)性分析；Innovator3D IC Data Management，可以解決設(shè)計的復(fù)雜性、協(xié)作性和可靠性，以及設(shè)計數(shù)據(jù)IP的在研管理。

Innovator3D IC還支持通過LEF/DEF進行層次化器件規(guī)劃，可在短短幾分鐘內(nèi)構(gòu)建擁有百萬個引腳的Chiplet（小芯片），并提供高效的ECO（工程變更指令）流程。它能夠在層次化數(shù)據(jù)模型之上，將芯片/小芯片、中介層、封裝基板乃至系統(tǒng)PCB建模為多層級的器件層次結(jié)構(gòu)，即使在涉及超過五千萬個引腳的設(shè)計組裝中，也能展現(xiàn)出卓越的可擴展性、容量和性能。

此外，西門子EDA的物理設(shè)計工具xPD及Aprisa進一步提供了創(chuàng)新的設(shè)計自動化、驗證、優(yōu)化和良率增強技術(shù)，確?？蛻舻腖ayout設(shè)計滿足所有性能、制造和可靠性要求。這些工具的強大設(shè)計性能專為復(fù)雜設(shè)計而生，目前已支持總引腳超過200萬管腳的復(fù)雜設(shè)計。與此同時，xPD也支持多用戶異地實時協(xié)同設(shè)計，極大地提高了團隊協(xié)作效率并縮短了設(shè)計周期。

堆疊驗證全覆蓋，筑牢3D IC可靠性

3D IC系統(tǒng)由多顆芯片堆疊而成，驗證這些芯片在堆疊后是否正確連接，這不僅涉及芯片間的DRC（設(shè)計規(guī)則檢查）和LVS（電路與版圖對比驗證），尤其當(dāng)芯片采用不同制造工藝時，如何實現(xiàn)自動且高效的準確驗證，成為一個亟待解決的難題。此外，芯片堆疊連接后，整個ESD（靜電放電）網(wǎng)絡(luò)和路徑可能會發(fā)生本質(zhì)變化，如何驗證新ESD網(wǎng)絡(luò)和路徑的可靠性變得更為復(fù)雜。

西門子EDA針對這些驗證挑戰(zhàn)，擴展了其Calibre平臺。Calibre 3DStack工具能夠自動化檢查die引腳版圖是否對準以及3D IC的LVS，確保芯片間的連接正確無誤。同時，Calibre 3DPERC和mPower工具可以驗證die堆疊之后的可靠性問題，例如ESD、EMIR等。

伴隨著復(fù)雜的3D IC設(shè)計系統(tǒng)，同時也帶來了更多的系統(tǒng)性能問題，如信號完整性、電源完整性等。西門子EDA提供組合Calibre xACT和HyperLynx SI，以及mPower和HyperLynx PI，可以對芯片、系統(tǒng)和PCB建模，并能夠進行結(jié)合的仿真分析，保證整個3D IC系統(tǒng)的仿真結(jié)果和精度。此方案還可以嵌入到設(shè)計流程中進行快速仿真，提升仿真收益。

前瞻性分析，解決散熱和應(yīng)力難題

在3D堆疊結(jié)構(gòu)中，每顆芯片工作時產(chǎn)生的熱量難以有效散發(fā)，熱量的堆積會導(dǎo)致晶體管結(jié)溫和金屬互聯(lián)線溫度的升高，從而影響芯片的性能，甚至損壞芯片。如何仿真3D IC的散熱情況，并將溫度分布反饋到每個芯片的器件來驗證對性能的影響，是芯片設(shè)計工程師不得不面對的問題。

西門子EDA推出的Calibre 3DThermal軟件，可針對3D IC中的熱效應(yīng)進行分析、驗證與調(diào)試。該工具可以讓芯片設(shè)計人員能夠從芯片和封裝設(shè)計的早期內(nèi)部探索到signoff階段，對熱效應(yīng)進行快速建模和可視化呈現(xiàn)。它能夠幫助用戶分析芯片堆疊之后的散熱效果以及每個芯片上單元級別的熱分布狀況，從而仿真分析散熱對每個芯片的性能的影響，進而優(yōu)化芯片的布局布線或封裝設(shè)計，有效解決散熱問題。

此外，隨著2.5D/3D IC架構(gòu)的裸片厚度降低及封裝工藝溫度升高，高溫會給芯片帶來新的應(yīng)力，從而導(dǎo)致器件的電學(xué)性能發(fā)生偏移，如何預(yù)估這種應(yīng)力對芯片電學(xué)性能的影響也是一個難題。

Calibre 3DStress正是針對這一挑戰(zhàn)而推出，支持在3D IC封裝場景下對熱-機械應(yīng)力及翹曲進行晶體管級精確分析、驗證與調(diào)試，使芯片設(shè)計師能夠在開發(fā)早期評估芯片封裝交互作用對設(shè)計功能的影響。這種前瞻性分析不僅可預(yù)防后期失效，提升設(shè)計效率、良率及可靠性，還能優(yōu)化設(shè)計以提升性能與耐用性。

3D IC技術(shù)作為未來集成電路重要的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。西門子EDA憑借創(chuàng)新的、豐富的工具鏈，為3D IC的設(shè)計協(xié)同、堆疊驗證、散熱和應(yīng)力等問題提供了全面的解決方案，助力行業(yè)突破技術(shù)瓶頸。未來，隨著工藝進步和市場需求的推動，3D IC有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，而西門子EDA將繼續(xù)引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新，為3D IC的可持續(xù)發(fā)展注入強大動力。