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創始人

必須同時開展熱分析、機械分析、電氣分析和電源分析，才能捕獲多芯片3D-IC中顯著的相關性

在電子設計自動化（EDA）領域40多年的發展歷程中，許多公司歷經興起、衰落和合并。在上世紀80年代初期，該行業由后來被稱為“三巨頭”的公司所主導，即Daisy Systems、Mentor Graphics和Valid Logic（名不見經傳的“DMV”）。

多年以來“三巨頭”也隨之演變，直至今日形成了以Cadence、Synopsys和Mentor三足鼎立的局面。據我的朋友Wally Rhines提供的價值信息，三巨頭曾經占據EDA總收入的80%以上。然而，如今EDA行業格局再次改寫，已完全由四家營收超10億美元的主要廠商主導，還有另一些規模較小的細分市場供應商。曾經的“三巨頭”變成了當下的“四巨頭”-四大EDA廠商，分別是營收20億美元的《財富》500強企業Ansys、Synopsys、Cadence Design Systems和Siemens Digital Industries Software（原來的Mentor Graphics）。Silvaco這類規模較小的細分市場廠商（第二梯隊）緊隨其后，收入達到數千萬美元。

Ansys 深耕仿真領域已有50多年歷史，從上世紀九十年代開始，Ansys的結構仿真工具就被用來進行封裝結構強度、振動和熱仿真，開啟了Ansys在集成電路領域的應用。2006年，Ansys收購了Fluent公司，擁有了電子散熱仿真工具Icepak；2008年，隨著對Ansoft公司的收購，Ansys建立了業界最強大和最完整的電磁場仿真體系，實現從封裝到系統的信號完整性，電源完整性，EMI/EMC，寄生參數抽取和時域、頻域電路仿真的全面仿真；2011年，對Apache的收購，進一步將用于復雜IC電源完整性和可靠性仿真的驗證平臺納入旗下，使得Ansys仿真領域進一步擴展到芯片領域，全面進入EDA領域，提供了業界獨有的從芯片到封裝和系統，電、熱、結構協同設計與仿真平臺；時間到了2015年，完成對Gear Design System的收購及后續開發后，Ansys建立了業界第一個EDA大數據智能計算平臺Seascape， 并且將多物理場的各個金標準軟件產品RedHawk，Totem， Pathfinder等相繼更新到最先進軟件架構及完全智能化，以解決芯片研發中的關鍵驗證問題及針對各種驗證環境進行可伸縮的彈性計算。

讓我們進一步了解Ansys在當前EDA生態系統中所發揮的作用，這個要從設計流程談起，我們知道芯片設計流程由40個或更多獨立步驟組成，同時這些環節由各種軟件工具執行。而目前，沒有一家公司能夠提供覆蓋整個流程的端到端解決方案。每個階段都很重要，尤其是半導體制造商要求，所有芯片都必須通過極度困難的關鍵驗證步驟。而這些簽核認證是代工廠接受設計進行制造的先決條件。

Ansys面向3D-IC的多物理場解決方案，在3個方面提供綜合全面的分析解決方案：跨多物理場，跨多個設計階段，跨多個設計層面

人們所熟知的黃金簽核標準包括：

• 設計規則檢查（DRC）

• 布局與原理圖（LVS）

• 時序簽核（STA：靜態時序分析）

• 電源完整性驗收（EM/IR：電遷移/壓降）

這些檢查的可靠性與可信度，來自數十年積累的行業信譽和經驗，包括與代工廠的多年密切合作。這使得這些黃金簽核工具極難被取代，而且使用取代工具的風險會相當大。如今，幾乎每個IC設計都離不開西門子的Calibre和Synopsys的PrimeTime。與這兩種久負盛名的黃金工具并駕齊驅的，是Ansys RedHawk-SC?（用于數字設計）和Ansys Totem（用于模擬/混合信號（AMS）設計），它們是電源完整性簽核的黃金工具，對于如今的先進半導體設計至關重要。

除了RedHawk-SC和Totem已通過電源完整性簽核認證，其他Ansys工具也通過了代工廠對一系列驗證步驟的認證，包括片上電磁建模（RaptorX、Exalto、VeloceRF）、芯片熱分析（RedHawk-SC Electrothermal）和封裝熱分析（Icepak）。

由于工程資源有限且日程要求嚴格，代工廠在開發新一代芯片工藝時，通常只與少數精心選擇的EDA廠商合作。現在，大多數這類合作存在于“四巨頭”的生態中，依賴建立在交付特定技術能力的聲譽之上的關系、多年建立的合作關系，以及通過與多代技術的廣泛客戶合作所確立的工具可靠性。

半導體設計的發展趨勢不僅是縮小到更小的特征尺寸，現在還要應對2.5D（并排）和3D（堆疊）集成電路（3D-IC）相互關聯的系統挑戰。這需要將傳統的單片設計分解成一組“小芯片（chiplet）”，以提供良率、尺度、靈活性、重復使用和異構工藝技術方面的優勢。但是為了獲得這些優勢，3D-IC設計人員必須解決伴隨多芯片共同設計及互聯高級封裝而來的復雜性顯著增加問題。與傳統單芯片設計相比，必須分析和控制更多的物理效應，這就需要廣泛的物理仿真分析工具，以應對多物理場帶來的爆發性復雜性。

Ansys運用其多年積累的豐富多物理場仿真經驗，結合最新的Redhawk-SC和Totem功能，以支持3D-IC電源完整性方面的進步，以行業領導者的姿態迎接這些挑戰。這包括專門用于解決3D-IC設計的熱完整性和高速完整性挑戰的全新功能，如RedHawk-SC Electrothermal。

在過去幾年里，Ansys因其在EDA設計流程中發揮的關鍵作用，獲得臺積電的官方認證。2020年，Ansys憑借其先進的半導體設計解決方案，成功通過臺積電高速CoWoS（晶圓基底芯片）和InFO（集成扇出型）2. 5D與3D封裝技術的早期認證。還與臺積電的持續成功合作，實現了面向3D-IC設計的層級熱分析解決方案。在最近的一次合作中，Ansys Redhawk-SC和Totem通過了臺積電最新N3E和N4P工藝技術的簽核認證。還有先進工藝、多裸片先進封裝和高速設計等領域的合作，也已獲得三星和GlobalFoundries的認證。Ansys甚至超越了代工廠簽核和認證范疇，定義了集成這些工具的參考流程，如臺積電N6射頻（RF）設計參考流程。

臺積電在過去五年中還多次授予Ansys“年度最佳合作伙伴獎”，近期獎項包括：

• 憑借向臺積電N4工藝技術提供晶圓代工廠認證的先進電源完整性與可靠性簽核認證工具，Ansys榮獲“聯合研發4nm設計基礎架構”獎項

• 憑借向臺積電的3D芯片堆疊與高級封裝技術綜合系列——3DFabric?，提供經過晶圓代工廠認證的熱、電源完整性和可靠性解決方案，Ansys榮獲“聯合研發3DFabric?設計解決方案”獎項

隨著更多系統公司開始設計專屬定制芯片，以及3D-IC技術的運用變得更加普遍，我們必須分析更多的物理效應，并且必須進行并行融合性分析，而不是單獨分析。多物理場概念并不僅僅是多種物理場。構建由多個緊密集成的chiplet構成的系統更加復雜，因此會出現更多物理/電氣問題。為了應對這種復雜性，Keysight、Synopsys和其他廠商已經選擇與Ansys合作，因為他們認識到了Ansys開放、可擴展的多物理場平臺的價值。Keysight已將Ansys HFSS集成到其RF流程中，而Synopsys則將Ansys工具緊密集成到其IC設計流程。

Ansys在加速3D-IC系統設計方面發揮著重要作用，在EDA等多個不同學科提供必要的專業能力，從而在幾乎所有工程領域中，實現構建涵蓋眾多物理場的高效工作流程。例如，Ansys解決方案支持3D系統的完整熱分析，包括用計算流體動力學捕獲冷卻風扇的影響，用機械應力/翹曲分析確保多個芯片熱膨脹差異下的系統可靠性。Ansys甚至可提供解決制造可靠性的技術，預測芯片在現場何時會出現故障。這些產品有助于我們從頭到尾了解芯片和系統工程工作流程。

Ansys作為物理領域領導者的影響力已有數十年。Ansys超越了多種物理場的范疇，擴展到基于多物理場的解決方案，同時考慮了更符合3D-IC系統開發需求的多種相互作用，包括：熱分析、用于冷卻的計算流體動力學分析、高速信號的機械與電磁分析、組件之間低頻功率振蕩分析、安全驗證等，所有這些都在領先的EDA流程中開展。此外，Ansys開放且可擴展的分析生態系統，還可以與其他EDA工具以及更廣泛的計算機輔助設計（CAD）、制造和工程相連接。

毫無疑問，3D-IC創新正在提速。隨著系統公司進一步深入擴展到3D-IC領域，他們將繼續選擇和信賴Ansys解決方案，以支持其芯片和系統無縫設計。迄今為止，世界上絕大多數芯片設計人員都依靠Ansys產品進行準確的電源完整性分析。Ansys提供真實世界產品的深入虛擬物理仿真專業技術，并對硅芯片和系統工程工作流程有著敏銳和深入的理解。Ansys一邊深入半導體行業，另一邊深入更廣泛的系統工程領域，以得天獨厚的優勢面向2.5D/3D-IC提供更豐富的多物理場解決方案，繼續其在EDA領域的迅猛發展勢頭。我們欣喜的看到，隨著芯片發展從單純制程演進到制程和系統級高級封裝技術共同快速發展，EDA行業的格局已經從傳統的“三巨頭”變化為“四巨頭 - 四大EDA廠商”。