行業(yè)資訊 I iMAPS 研討會：摩爾定律，延續(xù)或超越？

去年10月，第 54 屆國際微電子研討會在圣地亞哥舉行。這是由國際微電子組裝和封裝協(xié)會(International Microelectronics Assembly and Packaging Society)主辦的會議，簡稱為 iMAPS。

大會上，Cadence副總經(jīng)理KT Moore先生親自到場發(fā)表了一場題為《判斷電子設(shè)計的下一步：后摩爾時代亦或超越摩爾時代(More Moore or More than Moore: an EDA Perspective)》的主題演講。由于 KT 先生的姓氏是 Moore，和摩爾定律（Moore's Law）中是同一個單詞，這場演講可以說足夠“摩爾”。

圖為Cadence副總經(jīng)理KT Moore先生在iMAPS大會發(fā)表主題演講。

當(dāng)然，“超越摩爾定律”(more than Moore) 令人朗朗上口，用來描述系統(tǒng)在芯片上擴展的方式，而不是單純地指擴大硅的尺寸，摩爾定律之前重要的內(nèi)容就是縮小元器件并擴大硅尺寸；而“超越摩爾定律”指的就是高級封裝。

當(dāng)數(shù)年前 KT 先生聽說 7nm 工藝時，他預(yù)測可能只有十家公司能夠負(fù)擔(dān)在這種節(jié)點進(jìn)行設(shè)計的能力（我也懷疑數(shù)量不會很多，當(dāng)時幾乎所有作出預(yù)測的人也都是這樣認(rèn)為的）。但是我們都錯了；目前有幾百家公司正在進(jìn)行 7nm 及更先進(jìn)的設(shè)計，其中包括成熟的半導(dǎo)體公司、遍布全球各地的初創(chuàng)公司，以及開始自主設(shè)計芯片的系統(tǒng)公司。

正如上圖所示，先進(jìn)節(jié)點的成長比例比成熟節(jié)點強勁得多（當(dāng)然，先進(jìn)節(jié)點的起步基礎(chǔ)較小）。但兩者都在增長，半導(dǎo)體行業(yè)呈現(xiàn)一片欣欣向榮的景象。

復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計方法出現(xiàn)了分叉，有點像“雙城記”。圖中的右下角是傳統(tǒng)的 SoC，即把所有東西都塞進(jìn)一個裸片中；左上方是帶有光學(xué)元件、射頻...等其他功能的系統(tǒng)。目前，它們開始融合到中間的線上，形成異質(zhì)系統(tǒng)的集成：

1985 年，KT 先生畢業(yè)后到Texas Instruments國防部門工作，參與了當(dāng)時Texas Instruments規(guī)模最大的設(shè)計，有 9000 個晶體管?，F(xiàn)在，有這么多器件的芯片上只要放置一個 I/O 就可以。但在當(dāng)時，人們唯一關(guān)心的只是“功能是否正確”。漸漸地，我們需要檢查設(shè)計的其他方面。現(xiàn)在，在“超越摩爾定律”的時代，我們擔(dān)心的是如何一起完成所有復(fù)雜的系統(tǒng)級功能檢查。

在電子設(shè)計 (EDA, Electronic Design Automation) 中，我們不再僅止于關(guān)注 IO-ring內(nèi)的情況，而是需要同時關(guān)注 IO-ring外的各種性能問題。

在系統(tǒng)方面，設(shè)計的許多方面一直是彼此獨立設(shè)計的。但由于缺乏集成的信息，往往導(dǎo)致單個裸片和封裝出現(xiàn)過度設(shè)計而使得成本昂貴。

3D-IC 設(shè)計整合和管理

裸片放置和管腳bump 規(guī)劃

沒有單一的數(shù)據(jù)庫來收集多種技術(shù)規(guī)范

跨越小芯片（chiplets）和封裝的熱分析

3D STA 和用于簽核的時序工藝角數(shù)量猛增

系統(tǒng)級裸片間連接性驗證

上下游跨域設(shè)計溝通

要解決現(xiàn)今工具缺乏集成的問題，顯然就是開發(fā)更多的集成能力。下圖顯示了 Cadence針對“航空、火車和汽車”的主要工具集成，這些領(lǐng)域都含有電子元件及許多其他部件。這不僅僅是關(guān)于“IO 環(huán)內(nèi)”的芯片，還包括外部的從電氣和熱分析到計算流體力學(xué)的一切。

“

以前可能只分析單獨一塊電路板，現(xiàn)在我們可以分析整個系統(tǒng)，并進(jìn)行合理的計算。因為Cadence工具可以高效進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，因此用戶不必?fù)碛芯薮蟮膬?nèi)存，而是可以使用在云上可用的無限計算能力——無論是在公有云還是在私有云上。

——KT Moore

”

設(shè)計工具的研發(fā)與并購

今天，我們用“超越摩爾定律”來討論異構(gòu)集成；但事實上，自 90 年代初業(yè)界開始探討“多芯片模塊 (multi-chip modules ，MCM)”以來，Cadence 就一直在深耕這個領(lǐng)域。當(dāng)然，這遠(yuǎn)在摩爾定律開始失去動力之前。

每家公司都面臨一個共同的挑戰(zhàn)：是在企業(yè)內(nèi)部自行開發(fā)一款產(chǎn)品（有時稱為“有機成長“），還是收購一家專攻某個領(lǐng)域的公司。在過去的兩年里，Cadence 在系統(tǒng)領(lǐng)域構(gòu)建了一個完整的產(chǎn)品組合，混合采用了這兩種方法：

Clarity 家族，用于系統(tǒng)級電氣分析的工具（內(nèi)部開發(fā)）

Celsius家族，用于熱分析的產(chǎn)品 （內(nèi)部開發(fā)）

AWR家族，用于射頻設(shè)計的產(chǎn)品 （收購）

Integrand 工具，用于 2.5D 芯片上的電磁分析（收購）

inspectAR工具，PCB 增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)（收購）

Numeca技術(shù)，用于計算流體力學(xué)的求解器 （收購）

Sigrity X工具，用于下一代信號和電源完整性的產(chǎn)品（內(nèi)部開發(fā)）

Pointwise家族，用于 CFD 網(wǎng)格劃分的產(chǎn)品（收購）

其中，有一件事令業(yè)內(nèi)人士都感到驚訝，那就是 Cadence 將 38% 的收入投資到研發(fā)之中，這一比例在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。在半導(dǎo)體設(shè)計和集成方面，總是會不斷涌現(xiàn)新的要求。

設(shè)計完整性

KT 最后談到了 Integrity 3D-IC平臺，這是一款專門針對堆疊裸片 3D 芯片設(shè)計的新產(chǎn)品。該工具可以進(jìn)行 3D 規(guī)劃（如傳統(tǒng)在同一個層面上，稱為布局規(guī)劃）和設(shè)計實現(xiàn)。并且，它可以進(jìn)行早期的 3D 熱、功耗和時序分析。這些能力結(jié)合在一起，不僅在單個裸片的層面上，也在系統(tǒng)的層面上優(yōu)化了 PPA。

“

PPA 是指功耗(Power)、性能(Performance)和面積(Area)，這也是半導(dǎo)體領(lǐng)域的術(shù)語。我們談?wù)摰氖窃趯崿F(xiàn)最佳性能的同時，使芯片尺寸盡可能小、功耗盡可能低。設(shè)計師面對的問題是“這對于高級封裝來說有什么不同？”其實沒有什么不同，但是必須采取不同的方法。

……

歸根結(jié)底，關(guān)鍵在于全面的集成。設(shè)計師需要知道，自己能夠信心十足地完成設(shè)計。當(dāng)開始組合這些異構(gòu)設(shè)計時，有很多地方會出現(xiàn)問題。因此，Integrity 3D-IC平臺融合了Cadence的布局和布線技術(shù)，以及仿真分析技術(shù)。我相信Cadence是目前唯一一家可以宣稱將這些技術(shù)相互集成的公司，所以Cadence提供了真正的集成解決方案。這就是 EDA 的發(fā)展方向，我們正在與一些客戶和合作伙伴攜手合作，共同引領(lǐng)這一潮流。

——KT Moore

”

最后的問題

在主題演講的最后，KT提出了最后一個問題：

我們應(yīng)該讓摩爾定律繼續(xù)發(fā)展？還是追求超越摩爾定律？

答案您可能早已知曉，KT 的答案是我們需要兩者兼顧。