三維集成電路（3D-IC）徹底變革了半導體行業的發展。3D-IC通過堆疊和互聯裸片制造，因此它們可以作為單個設備運行，通過提升性能和帶寬實現更多功能，同時還能降低功耗、封裝尺寸和成本。

然而，3D-IC給工程師帶來嚴峻的設計挑戰。因為顯著大于單芯片片上系統（SoC），3D-IC擁有更多組件、更多集成點和更長的互聯，這將造成高頻信號故障、可靠性和其他性能問題（比如熱積聚）等新風險。

隨著芯片和系統之間的界限不斷模糊，工程師必須開展并行的多變量分析，才能評估每種可能的故障模式——不僅在組件層面，而且在整個3D-IC總成上開展分析。對習慣以順序方式應用一系列單物理工程仿真工具的許多研發團隊來說，這形成了技術障礙。

3D-IC使用串行分析方法裝配在復雜的封裝內，該方法沒有充分考慮系統級交互以及可能發生故障的數千個凸塊連接點。相反，并行、多變量仿真與分析從設計的最初原型制作階段就同時考慮了所有物理因素。

大多數半導體研發團隊不僅缺乏開展這種復雜仿真與分析的技術工具，而且在進行系統級分析時，還面臨文化上的障礙。采用不同工具的多元化團隊根本無法從早期階段就在復雜的3D-IC設計上進行無縫交接和有效協作。相反，他們往往要在后期階段爭先解決系統級問題。此時很可能導致發布延遲，返工成本高，而且他們對設計的積極影響也變得微乎其微。

隨著市場對3D-IC的需求日益增加，半導體研發團隊需要統一仿真平臺在整個總成上同時開展多物理場分析，包括電源完整性、可靠性、電磁（EM）、熱、計算流體動力學（CFD）和力學研究。

統一的仿真平臺融合了各物理場上業界最佳的解決方案，幫助半導體工程師跨部門開展協作，在仿真工具之間無縫交接分析任務，合作優化3D-IC設計的每一項性能參數。當研發團隊制作物理原型以幫助確保按時、低成本地推出產品時，無論是信號完整性、熱導率還是結構強度，發生高成本意外的可能性大幅降低。

圖為芯片堆棧進行同步多變量分析示例：顯示了熱梯度以及封裝在早期原型階段的機械應力/翹曲

相反，按順序應用多個物理場可能會造成持續不斷、成本高昂的負面影響。例如，當一個團隊解決信號完整性問題時，另一個團隊可能會發現出現了時序故障或熱風險。這不僅需要返回到設計圖紙，還需要在互不相連的仿真分析工具間以及在職能部門間重復一系列耗費時間和各種資源的交接。

由于面臨快速推出創新型3D-IC設計的壓力，研發團隊可能傾向于關注現有的簽核指標。在如今的多裸片總成中，這些指標已足夠復雜，但忽視了應用更新的物理因素。這是一個錯誤的做法，可能導致現場故障、產品召回、質保費用和對品牌聲譽的持續損害。

為了在整個3D-IC系統上建立完全的產品信心，半導體工程團隊需要一套解決方案和相關的最佳實踐。這樣既能快速直觀地優化性能與成本，又能并行分析影響電氣可靠性、機械穩定性和熱失效模式的新物理因素。

需要精細仿真的物理效應數量與摩爾定律同步增加，在3D-IC設計中甚至進一步增加

采用統一的聯網平臺能夠實現這種真正的多物理場分析。多物理場平臺應與常用設計系統接口，并且可以通過Python API擴展到用戶和其他廠商。

例如，工程師可以根據每個焊接凸點承載的電流來檢查其熱行為以及熔化與局部失效的可能性。工程師可以應用計算流體動力學評估風扇和散熱器產生的氣流如何有效地冷卻總成。通過檢查分布式供電網絡上的低頻功率振蕩等不常見的效應，他們可以最大限度地提高系統可靠性。

最值得一提的是，統一的專用仿真平臺允許半導體研發團隊同時開展所有這些研究，以快速揭曉在復雜總成中將眾多元件結合在一起時產生的設計權衡。隨著3D-IC設計逐漸占領全球市場，只有這種類型的多物理場、多變量并行方法才能讓工程團隊實現其在速度、可靠性、創新和產品性能方面的所有目標。

客戶需要一種開放式、可擴展平臺，以支持跨越許多不同抽象級（從器件到芯片到電路板再到系統）的各種分析工具

正確的仿真技術平臺能提供有力的幫助。一個將跨職能工程團隊聚集在一起開展同步而非順序的多物理場設計的共享平臺，能夠輕松實現跨越職能部門的無縫協作，并支持在功耗、性能、可靠性和成本的各個方面實現卓越。

通過同步優化溫度、機械應力和其他微妙的效應，以實現這些基本性能相關方面的平衡，半導體工程團隊能夠在3D-IC變革中搶占領先地位，而不是成為追隨者。