摩尔定律之推动半导体设计的四大引擎

本文原刊登于semi.org：《For Moore’s Law to Live, SoCs Must Die》

作者：John Lee

二十一世纪以来，片上系统（System-on-Chip, 简称SoC）一直被视为是优化完整电子系统性能和成本的黄金标准。通过将几乎所有的手机数字和模拟功能整合到同一块巨大的芯片上，手机处理器堪称近乎完美的SoC典范。但是，目前行业领先的集成电路（IC）正在突破芯片尺寸的上限，而芯片尺寸却受限于制造设备的光掩模尺寸。事实证明，这一技术很难改善，而且多年来发展速度缓慢。然而来自市场的压力有增无减，用户需要具有更大集成内存、更强数字逻辑和更多模拟/混合信号电路的更大尺寸、更强功能的电子系统。

为应对这种压力，3D和2.5D多裸片芯片装配体（通常被称为3D-IC）应运而生。3D-IC的关键技术突破在于，它可以利用高速、低功耗互连技术将系统扩展到多个紧密组装在一起且互连的较小型芯片上。3D-IC无需在单个SoC上集成整个系统，而是将其分布到多个芯片上。它不仅能够使摩尔定律突破光掩模尺寸的障碍，而且通过缩小单个芯片的尺寸来提高产量，同时还能加入针对各功能进行优化的不同工艺技术。

然而，前进的道路上并非没有任何挑战，我们看到设计公司都在做出巨大努力来适应趋势，并认真考虑以下四种技术和市场驱动因素：

• 确保电子系统可靠高效的并行多物理场分析需求

• 芯片和系统之间逐渐模糊的界限

• 与众多设计平台实现互操作的开放、包容性多物理场平台需求

• 超大规模公司和系统公司对定制芯片的需求及其价值

3D-IC的出现为芯片中的可实现解决方案开辟了新的视野。但它也促使几十年来一直并存的两种不同技术市场实现了更紧密的融合：IC设计和印刷电路板（PCB）设计。这两大市场使用的工具、数据格式、制造后端、计算和几何规模以及关注的物理问题都大相径庭。然而，3D-IC具有两大市场的许多共同之处：它们不仅包含单片芯片，还包含将芯片固定在一起的板状基板。介于这两者之间的是封装，这是一个完全不同的领域，它要求各公司重新考量他们的设计能力、流程以及组织结构。

芯片设计与PCB设计和封装设计的孤岛式隔离意味着，相应市场都开发了独立的数据结构，不适合处理3D-IC设计的多物理场分析广度。许多不同的物理学科（包括计算流体动力学、机械应力和电磁辐射）都需要在开放、可扩展的多物理场平台上协同工作。这些平台必须采用现代云计算模式，并通过允许连接单独的设计平台以进行综合多物理场分析，从而支持整个生态系统。

如今，市场领先企业非常依赖于技术来获得持续成功和市场差异化的优势。从在线零售商、电信公司、到社交网络公司和超大规模企业，所有人都在弃用现成的解决方案，反而采用定制芯片以此获得优势。其中一些公司希望通过基于大量市场数据的专有AI/ML算法来获得市场份额，但这需要大量的计算能力和专门的芯片。在当今世界，获得高质量的芯片解决方案至关重要，业界对于更复杂、更强大电子产品的需求也与日俱增。

毋庸置疑，3D-IC设计正处于电子设计的转折点，同时也带来了相关的重大挑战，即电子设计行业的重新调整需基于新的趋势。

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