为满足未来高性能计算需求，3D-IC堆栈与小芯片异质集成方案成为延续摩尔定律的主要解决方案，许多厂商也对这项技术跃跃欲试。对此，电子设计自动化（EDA）工具与半导体IP供应商益华计算机（Cadence）领先业界推出全新“Integrity 3D-IC平台”，帮助客户在3D-IC设计流程更容易。

“我们的目标是让3D-IC变得非常简单。”Cadence Sr. Software Architect资深处长赵佑锡表示，许多客户其实对3D-IC很感兴趣，但有两大考量成为阻碍，一是成本，二是不知从何下手。

Cadence Sr. Software Architect资深处长赵佑锡。（Source：Cadence）

赵佑锡指出，3D-IC成功的关键是“并行设计”，设计流程需要不同领域技能及跨团队合作，像封装（packaging）、设计划分（partitioning）、设计实现（implementation）、芯片实现和分析（analysis）都由不同部门执行，因此优化跨工具才能使流程更有效率。换言之，必须克服跨流程、跨越工具，实现共同优化等重重阻碍，才能解决3D-IC的设计挑战。

3D-IC设计挑战1：缺标准化设计流程，只能依赖工程师经验

传统作业流程是初期团队完成现阶段工作后，再交给下一棒团队处理，当出现问题时都“硬着头皮解决”，若前期设计不够完善，后续可能为解决问题而牺牲掉芯片性能。

赵佑锡表示，目前部分大公司已制造出3D-IC，显示这项技术确许可行，但仍面临缺乏标准化设计流程，一切必须依靠工程师经验，也导致产生“大公司才有资源实现这些芯片”的思维。“我们的任务是让3D-IC设计及流程变更容易，尤其是对小公司而言。若小公司接受代工厂提供的3D-IC制程考量，设计就可交由Cadence解决”。

赵佑锡指出，Cadence Integrity 3D-IC平台将所有需求集成到统一平台中，涵盖芯片、基板、封装、电路板及与系统设计等架构阶段，及芯片实现相关的封装、设计划分、设计实现和分析流程。

同时，Integrity 3D-IC平台也是业界唯一满足所有最新台积电3DFabric认证的完整解决方案，“目前只有Cadence有这个能力”，公司需要确保所有客户都可以使用3D-IC设计方法。此外，在Cadence解决方案中，从Cerebrus AI到Integrity 3D-IC环境中，全赋予异质集成技术能力，不管同质、异质都考虑到支持这样的需求。

3D-IC设计挑战2：流程涵盖范围广，哪个因素该优先考量？

除了流程上须跨团队合作外，3D-IC设计本身也相当困难，尤其是流程的涵盖范围。成功3D-IC设计需要工具包括全定制化和数字化对芯片/基板/封装/电路板、设计划分与设计实现，并针对时序、压降、热、机械、封装以及性能、功耗与面积（PPA）进行系统级实现和分析。

然而，IC设计人员往往会遇到两个问题：先从哪个设计环节下手？该先权衡（Trade-off）哪项因素？

赵佑锡解释，在第一个挑战中，IC设计人员必须一次考虑到功能模块在芯片上该如何配置、各个位置的电压需要多少、凸块（bump）如何规划排列、内存该放置在何处，“哪个要先当首要考量？谁是第一棒？很难协调清楚”。

第二个挑战是设计人员面临许多权衡问题，例如期望热分析表现好，但设计摆放上就会伤害到压降（IR）；又或者，想增加堆栈数，但又影响硅芯片尺寸，牺牲掉良率、光罩价格和成本。

一旦这些权衡、客户问题点全都集成进设计时，就会耗费许多时间在工程师、团队、客户间来回修正，因此“导入AI，实现共同优化”才是解决这些难题的途径。

AI实现共同优化，加速设计流程

赵佑锡表示，Cadence已使用Cerebrus AI驱动设计优化技术，将生成式AI功能集成进Integrity 3D-IC中；通过生成式AI和增强型机器学习，提供多参数、多目标的AI优化方案。

Cadence Integrity 3D-IC可通过生成式AI和增强型机器学习，提供多参数、多目标的AI优化方案。（Source：Cadence）

Integrity 3D-IC将系统级规格转化成硬件描述语言的架构，经验上以凸块规划作为突破口，纳入客户需求，通过AI自动产生各种凸块排列组合，作为引导设计划分、模块布局，之后AI持续生成最佳解，包括提供早期的压降和热分析，并一次性共同优化，同时以赏罚机制加强AI学习，再选择最佳衡权的多种解决方案，满足3D-IC设计目标。

赵佑锡解释，这有助于减少修改架构来回或重新设计的时间，生产力（Productivity）至少增加10-20倍，“以往架构完成需要7-8个月，但导入AI后可以将时间缩减至2个月以内，加强工程师的生产力”。客户只需填写一个表格或表单，就能让AI自动生成出多种不同的芯片架构设计。

与芯片代工厂合作，加速流程标准化

为使3D-IC成功，EDA供应商与代工厂密切合作至关重要。当代工厂和3D-IC成本下降，客户才有机会接受这些解决方案，如果制程或3D-IC成本过高，客户无法制造3D-IC芯片，采用也将受限。

除了同一制程节点内芯片的同质3D集成外，异质3D集成还要求工具和流程能对一个节点与另一个节点的不同物理属性进行建模和分析，加剧EDA设计实现和系统分析挑战。对此，Cadence与领先芯片厂合作，定义芯片设计人员可使用的3D-IC方法，包括创建标准数据交换格式，让业界彼此间互相交换，以及可重复使用、在3D-IC芯片之间使用的分析模型。

赵佑锡指出，Cadence在生成式AI的研究发展及应用，获得实质性大跃进，而结合Cerebrus AI和Integrity 3D-IC工具，也是Cadence产品的独特优势。

目前Integrity 3D-IC平台为已将设计领域/学科中Cadence系统规划、芯片和封装实现以及系统级分析集成在单一平台的集成解决方案，解决客户经常面临的3D-IC设计挑战，实现创新设计。

（首图来源：Shutterstock）