Ansys进入EDA厂商第一梯队，这对3D-IC意味着什么？

本文原刊登于SemiWiki：《Ansys’ Emergence as a Tier 1 EDA Player— and What That Means for 3D-IC》

作者：Daniel Nenni | SemiWiki.com创始人

必须同时开展热分析、机械分析、电气分析和电源分析，才能捕获多芯片3D-IC中显著的相关性

在电子设计自动化（EDA）领域40多年的发展历程中，许多公司历经兴起、衰落和合并。在上世纪80年代初期，该行业由后来被称为“三巨头”的公司所主导，即Daisy Systems、Mentor Graphics和Valid Logic（名不见经传的“DMV”）。

多年以来“三巨头”也随之演变，直至今日形成了以Cadence、Synopsys和Mentor三足鼎立的局面。据我的朋友Wally Rhines提供的价值信息，三巨头曾经占据EDA总收入的80%以上。然而，如今EDA行业格局再次改写，已完全由四家营收超10亿美元的主要厂商主导，还有另一些规模较小的细分市场供应商。曾经的“三巨头”变成了当下的“四巨头”-四大EDA厂商，分别是营收20亿美元的《财富》500强企业Ansys、Synopsys、Cadence Design Systems和Siemens Digital Industries Software（原来的Mentor Graphics）。Silvaco这类规模较小的细分市场厂商（第二梯队）紧随其后，收入达到数千万美元。

Ansys 深耕仿真领域已有50多年历史，从上世纪九十年代开始，Ansys的结构仿真工具就被用来进行封装结构强度、振动和热仿真，开启了Ansys在集成电路领域的应用。2006年，Ansys收购了Fluent公司，拥有了电子散热仿真工具Icepak；2008年，随着对Ansoft公司的收购，Ansys建立了业界最强大和最完整的电磁场仿真体系，实现从封装到系统的信号完整性，电源完整性，EMI/EMC，寄生参数抽取和时域、频域电路仿真的全面仿真；2011年，对Apache的收购，进一步将用于复杂IC电源完整性和可靠性仿真的验证平台纳入旗下，使得Ansys仿真领域进一步扩展到芯片领域，全面进入EDA领域，提供了业界独有的从芯片到封装和系统，电、热、结构协同设计与仿真平台；时间到了2015年，完成对Gear Design System的收购及后续开发后，Ansys建立了业界第一个EDA大数据智能计算平台Seascape， 并且将多物理场的各个金标准软件产品RedHawk，Totem， Pathfinder等相继更新到最先进软件架构及完全智能化，以解决芯片研发中的关键验证问题及针对各种验证环境进行可伸缩的弹性计算。

让我们进一步了解Ansys在当前EDA生态系统中所发挥的作用，这个要从设计流程谈起，我们知道芯片设计流程由40个或更多独立步骤组成，同时这些环节由各种软件工具执行。而目前，没有一家公司能够提供覆盖整个流程的端到端解决方案。每个阶段都很重要，尤其是半导体制造商要求，所有芯片都必须通过极度困难的关键验证步骤。而这些签核认证是代工厂接受设计进行制造的先决条件。

Ansys面向3D-IC的多物理场解决方案，在3个方面提供综合全面的分析解决方案：跨多物理场，跨多个设计阶段，跨多个设计层面

人们所熟知的黄金签核标准包括：

• 设计规则检查（DRC）

• 布局与原理图（LVS）

• 时序签核（STA：静态时序分析）

• 电源完整性验收（EM/IR：电迁移/压降）

这些检查的可靠性与可信度，来自数十年积累的行业信誉和经验，包括与代工厂的多年密切合作。这使得这些黄金签核工具极难被取代，而且使用取代工具的风险会相当大。如今，几乎每个IC设计都离不开西门子的Calibre和Synopsys的PrimeTime。与这两种久负盛名的黄金工具并驾齐驱的，是Ansys RedHawk-SC™（用于数字设计）和Ansys Totem（用于模拟/混合信号（AMS）设计），它们是电源完整性签核的黄金工具，对于如今的先进半导体设计至关重要。

除了RedHawk-SC和Totem已通过电源完整性签核认证，其他Ansys工具也通过了代工厂对一系列验证步骤的认证，包括片上电磁建模（RaptorX、Exalto、VeloceRF）、芯片热分析（RedHawk-SC Electrothermal）和封装热分析（Icepak）。

由于工程资源有限且日程要求严格，代工厂在开发新一代芯片工艺时，通常只与少数精心选择的EDA厂商合作。现在，大多数这类合作存在于“四巨头”的生态中，依赖建立在交付特定技术能力的声誉之上的关系、多年建立的合作关系，以及通过与多代技术的广泛客户合作所确立的工具可靠性。

半导体设计的发展趋势不仅是缩小到更小的特征尺寸，现在还要应对2.5D（并排）和3D（堆叠）集成电路（3D-IC）相互关联的系统挑战。这需要将传统的单片设计分解成一组“小芯片（chiplet）”，以提供良率、尺度、灵活性、重复使用和异构工艺技术方面的优势。但是为了获得这些优势，3D-IC设计人员必须解决伴随多芯片共同设计及互联高级封装而来的复杂性显著增加问题。与传统单芯片设计相比，必须分析和控制更多的物理效应，这就需要广泛的物理仿真分析工具，以应对多物理场带来的爆发性复杂性。

Ansys运用其多年积累的丰富多物理场仿真经验，结合最新的Redhawk-SC和Totem功能，以支持3D-IC电源完整性方面的进步，以行业领导者的姿态迎接这些挑战。这包括专门用于解决3D-IC设计的热完整性和高速完整性挑战的全新功能，如RedHawk-SC Electrothermal。

在过去几年里，Ansys因其在EDA设计流程中发挥的关键作用，获得台积电的官方认证。2020年，Ansys凭借其先进的半导体设计解决方案，成功通过台积电高速CoWoS（晶圆基底芯片）和InFO（集成扇出型）2. 5D与3D封装技术的早期认证。还与台积电的持续成功合作，实现了面向3D-IC设计的层级热分析解决方案。在最近的一次合作中，Ansys Redhawk-SC和Totem通过了台积电最新N3E和N4P工艺技术的签核认证。还有先进工艺、多裸片先进封装和高速设计等领域的合作，也已获得三星和GlobalFoundries的认证。Ansys甚至超越了代工厂签核和认证范畴，定义了集成这些工具的参考流程，如台积电N6射频（RF）设计参考流程。

台积电在过去五年中还多次授予Ansys“年度最佳合作伙伴奖”，近期奖项包括：

• 凭借向台积电N4工艺技术提供晶圆代工厂认证的先进电源完整性与可靠性签核认证工具，Ansys荣获“联合研发4nm设计基础架构”奖项

• 凭借向台积电的3D芯片堆叠与高级封装技术综合系列——3DFabric™，提供经过晶圆代工厂认证的热、电源完整性和可靠性解决方案，Ansys荣获“联合研发3DFabric™设计解决方案”奖项

随着更多系统公司开始设计专属定制芯片，以及3D-IC技术的运用变得更加普遍，我们必须分析更多的物理效应，并且必须进行并行融合性分析，而不是单独分析。多物理场概念并不仅仅是多种物理场。构建由多个紧密集成的chiplet构成的系统更加复杂，因此会出现更多物理/电气问题。为了应对这种复杂性，Keysight、Synopsys和其他厂商已经选择与Ansys合作，因为他们认识到了Ansys开放、可扩展的多物理场平台的价值。Keysight已将Ansys HFSS集成到其RF流程中，而Synopsys则将Ansys工具紧密集成到其IC设计流程。

Ansys在加速3D-IC系统设计方面发挥着重要作用，在EDA等多个不同学科提供必要的专业能力，从而在几乎所有工程领域中，实现构建涵盖众多物理场的高效工作流程。例如，Ansys解决方案支持3D系统的完整热分析，包括用计算流体动力学捕获冷却风扇的影响，用机械应力/翘曲分析确保多个芯片热膨胀差异下的系统可靠性。Ansys甚至可提供解决制造可靠性的技术，预测芯片在现场何时会出现故障。这些产品有助于我们从头到尾了解芯片和系统工程工作流程。

Ansys作为物理领域领导者的影响力已有数十年。Ansys超越了多种物理场的范畴，扩展到基于多物理场的解决方案，同时考虑了更符合3D-IC系统开发需求的多种相互作用，包括：热分析、用于冷却的计算流体动力学分析、高速信号的机械与电磁分析、组件之间低频功率振荡分析、安全验证等，所有这些都在领先的EDA流程中开展。此外，Ansys开放且可扩展的分析生态系统，还可以与其他EDA工具以及更广泛的计算机辅助设计（CAD）、制造和工程相连接。

毫无疑问，3D-IC创新正在提速。随着系统公司进一步深入扩展到3D-IC领域，他们将继续选择和信赖Ansys解决方案，以支持其芯片和系统无缝设计。迄今为止，世界上绝大多数芯片设计人员都依靠Ansys产品进行准确的电源完整性分析。Ansys提供真实世界产品的深入虚拟物理仿真专业技术，并对硅芯片和系统工程工作流程有着敏锐和深入的理解。Ansys一边深入半导体行业，另一边深入更广泛的系统工程领域，以得天独厚的优势面向2.5D/3D-IC提供更丰富的多物理场解决方案，继续其在EDA领域的迅猛发展势头。我们欣喜的看到，随着芯片发展从单纯制程演进到制程和系统级高级封装技术共同快速发展，EDA行业的格局已经从传统的“三巨头”变化为“四巨头 - 四大EDA厂商”。