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

作者：John Lee

二十一世紀(jì)以來，片上系統(tǒng)（System-on-Chip, 簡(jiǎn)稱SoC）一直被視為是優(yōu)化完整電子系統(tǒng)性能和成本的黃金標(biāo)準(zhǔn)。通過將幾乎所有的手機(jī)數(shù)字和模擬功能整合到同一塊巨大的芯片上，手機(jī)處理器堪稱近乎完美的SoC典范。但是，目前行業(yè)領(lǐng)先的集成電路（IC）正在突破芯片尺寸的上限，而芯片尺寸卻受限于制造設(shè)備的光掩模尺寸。事實(shí)證明，這一技術(shù)很難改善，而且多年來發(fā)展速度緩慢。然而來自市場(chǎng)的壓力有增無減，用戶需要具有更大集成內(nèi)存、更強(qiáng)數(shù)字邏輯和更多模擬/混合信號(hào)電路的更大尺寸、更強(qiáng)功能的電子系統(tǒng)。

為應(yīng)對(duì)這種壓力，3D和2.5D多裸片芯片裝配體（通常被稱為3D-IC）應(yīng)運(yùn)而生。3D-IC的關(guān)鍵技術(shù)突破在于，它可以利用高速、低功耗互連技術(shù)將系統(tǒng)擴(kuò)展到多個(gè)緊密組裝在一起且互連的較小型芯片上。3D-IC無需在單個(gè)SoC上集成整個(gè)系統(tǒng)，而是將其分布到多個(gè)芯片上。它不僅能夠使摩爾定律突破光掩模尺寸的障礙，而且通過縮小單個(gè)芯片的尺寸來提高產(chǎn)量，同時(shí)還能加入針對(duì)各功能進(jìn)行優(yōu)化的不同工藝技術(shù)。

然而，前進(jìn)的道路上并非沒有任何挑戰(zhàn)，我們看到設(shè)計(jì)公司都在做出巨大努力來適應(yīng)趨勢(shì)，并認(rèn)真考慮以下四種技術(shù)和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素：

• 確保電子系統(tǒng)可靠高效的并行多物理場(chǎng)分析需求

• 芯片和系統(tǒng)之間逐漸模糊的界限

• 與眾多設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互操作的開放、包容性多物理場(chǎng)平臺(tái)需求

• 超大規(guī)模公司和系統(tǒng)公司對(duì)定制芯片的需求及其價(jià)值

3D-IC的出現(xiàn)為芯片中的可實(shí)現(xiàn)解決方案開辟了新的視野。但它也促使幾十年來一直并存的兩種不同技術(shù)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了更緊密的融合：IC設(shè)計(jì)和印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)。這兩大市場(chǎng)使用的工具、數(shù)據(jù)格式、制造后端、計(jì)算和幾何規(guī)模以及關(guān)注的物理問題都大相徑庭。然而，3D-IC具有兩大市場(chǎng)的許多共同之處：它們不僅包含單片芯片，還包含將芯片固定在一起的板狀基板。介于這兩者之間的是封裝，這是一個(gè)完全不同的領(lǐng)域，它要求各公司重新考量他們的設(shè)計(jì)能力、流程以及組織結(jié)構(gòu)。

芯片設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)的孤島式隔離意味著，相應(yīng)市場(chǎng)都開發(fā)了獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不適合處理3D-IC設(shè)計(jì)的多物理場(chǎng)分析廣度。許多不同的物理學(xué)科（包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械應(yīng)力和電磁輻射）都需要在開放、可擴(kuò)展的多物理場(chǎng)平臺(tái)上協(xié)同工作。這些平臺(tái)必須采用現(xiàn)代云計(jì)算模式，并通過允許連接單獨(dú)的設(shè)計(jì)平臺(tái)以進(jìn)行綜合多物理場(chǎng)分析，從而支持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

如今，市場(chǎng)領(lǐng)先企業(yè)非常依賴于技術(shù)來獲得持續(xù)成功和市場(chǎng)差異化的優(yōu)勢(shì)。從在線零售商、電信公司、到社交網(wǎng)絡(luò)公司和超大規(guī)模企業(yè)，所有人都在棄用現(xiàn)成的解決方案，反而采用定制芯片以此獲得優(yōu)勢(shì)。其中一些公司希望通過基于大量市場(chǎng)數(shù)據(jù)的專有AI/ML算法來獲得市場(chǎng)份額，但這需要大量的計(jì)算能力和專門的芯片。在當(dāng)今世界，獲得高質(zhì)量的芯片解決方案至關(guān)重要，業(yè)界對(duì)于更復(fù)雜、更強(qiáng)大電子產(chǎn)品的需求也與日俱增。

毋庸置疑，3D-IC設(shè)計(jì)正處于電子設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)也帶來了相關(guān)的重大挑戰(zhàn)，即電子設(shè)計(jì)行業(yè)的重新調(diào)整需基于新的趨勢(shì)。