随着人工智能、大数据、云计算、异构计算等行业的快速发展，先进封装技术已经占据了技术与市场规模上的制高点，3D IC是电子设计从芯片设计走向系统设计的一个重要支点，也是整个半导体产业的转折点，相关EDA解决工具也是必备的战略技术点，不过随着封装技术的演进对EDA也提出了更大的挑战。

3D IC先进封装对EDA的挑战及如何应对

随着集成电路制程工艺逼近物理尺寸极限，2.5D/3D封装，芯粒（Chiplet）、晶上系统（SoW）等先进封装成为了提高芯片集成度的新方向，并推动EDA方法学创新。这也使得芯片设计不再是单芯片的问题，而逐渐演变成多芯片系统工程。新的问题随之出现，先进封装中的大规模数据读取显示，高密度硅互连拼装、高性能良率低功耗需求对EDA算法引擎提出了更高的要求。

芯和半导体技术总监苏周祥在2022年EDA/IP与IC设计论坛中提出，在SoC的设计阶段需要克服可靠性问题，而在2.5D和3D方面需要解决的问题则是系统级封装和模块仿真。

容易出现以下问题：

多个点工具形成碎片化的2.5D/3D IC 解决方案：每个点工具都有自己的接口与模型；各个工具之间的交互写作不顺畅、缺少自动化；

在2.5D/3D IC 设计过程中，不能再设计初期就考虑Power/Signal/Thermal的影响，而且不能协同分析；

多个点工具形成了很多不同的接口，文本与文件格式的转换，各种不同的格式转换使精度收到损失。

作为应对，2.5D/3D IC先进封装需要一个新的EDA平台。在架构方面，需要考虑包括系统级连接、堆栈管理、层次化设计；物理实现需要：包括协同设计环境、跨领域工程变更、多芯片3D布局规划和布线、统一数据库；分析解决需要包括片上和封装电磁分析、芯片封装联合仿真、多物理分析、与布局布线工具无缝集成；验证方面，则需要芯片工艺约束、封装制造设计规则、芯片3D组装约束、芯片数据通信协议。

随着摩尔定律放缓，3D IC设计备受关注

TSMC是世界上最大的代工生产半导体制造商，接受AMD、Apple、NVIDIA、Qualcomm等无晶圆厂（Fabless）半导体制造商的芯片代工生产。AMD的Ryzen、苹果的A/M系列、NVIDIA的H100等先进芯片均由TSMC制造。

在此之前，台积电的研发和生产总部都在中国台湾，但近年来该公司一直在加快将此类设施转移到海外。譬如，在建的美国亚利桑那州的新晶圆厂，计划2024年开始生产。日本去年也宣布，TSMC设立新工厂的消息，计划生产时间也是于2024年开始。

此次TSMC在日本设立的3D IC研究中心旨在为半导体制造的后端封装工序服务。

这几年，摩尔定律已经持续放缓，很难像以前那样在两年内将晶体管数量翻一番。因此，提高性能的唯一方法是增加芯片的裸片尺寸，但结果会导致制造成本的上升。

在这种情况下，使用2D、3D封装技术有望解决该问题，如，AMD在使用“chiplet”的2D封装技术。三星电子推出的3D封装“X-Cube 技术”。台积电正在研发的“CoWoS”2D封装技术，以及正在使用的“InFO”，且未来计划推出3D封装“SoIC技术”。

3D封装的发展潜力巨大

随着对性能有极致追求，需要把晶体管的密度做得越来越高，速度越来越快。另外数据处理应用中，数据交互将对带宽、吞吐量和速度提出更高的要求，会导致芯片会越来越复杂、越来越大，要求远远超过了目前的工艺节点能够满足的PPA目标和成本，这种情况下用 Chiplet和3D IC技术的应用就首当其冲。

目前，云计算、大数据分析、神经网络训练、人工智能推理、先进智能手机上的移动计算甚至自动驾驶汽车，都在推动计算向极限发展。面对更多样化的计算应用需求，先进封装技术成为持续优化芯片性能和成本的关键创新路径。

2021 年全球封装市场规模约达 777 亿美元。其中，先进封装全球市场规模约 350 亿美元。预计到 2025年先进封装的全球市场规模将达到 420 亿美元，2019-2025 年全球先进封装市场的 CAGR 约 8%。相比同期整体封装市场和传统封装市场，先进封装市场增速更为显著。

3D IC热潮下，芯片的设计仿真是个难点

由于未来摩尔定律不太可能重回常规步伐，因此半导体制造商面临着巨大的压力，这些制造商不仅要保证信号完整性和追求低功耗的同时，还要求以更小的封装尺寸加快创新芯片设计的上市速度。虽然3D IC有望满足所有这些需求，但与此同时，它们也带来了新的设计复杂性，对传统EDA工具和工艺提出了挑战。

3D IC通过堆叠裸片并使之互联以使其作为单个器件运行来制造，这样做带来的新风险是由更高密度引起的热积聚。因为它们比典型的片上系统(SoC)大得多，具有更长的互连，所以需要对它们进行严格的测试，以发现有故障的集成点以及系统级故障。

然而，大多数半导体研发团队根本不具备管理3D IC分析和设计验证这一艰巨工作的能力。传统的SoC仿真方法让他们不堪重负，这种方法依赖于一系列循序渐进的过程，其中单一物理仿真工具被逐一应用。当工程师将这些不同的工具和这一系列过程应用于复杂的3D IC设计时，他们会遗漏系统级交互、连接点、综合热效应和其他考虑因素，从而导致严重错误。

随着3D IC在高级半导体应用中变得越来越普遍，工程团队需要一种同样创新的新分析方法。他们需要一个单一、开放和成熟的平台，在整个产品设计中进行并行、多元的模拟和分析。他们需要在组件和系统层面上快速、同时考虑多种物理因素。

国产EDA大门打开 人才的时间窗口很重要

国产EDA行业，人才稀缺则尤为严重。国内最大的EDA企业华大九天，据其招股书透露，截至2021年12月31日，公司总人数660人，研发和技术人员数量达494人；截止2021年底，概伦电子的研发人员为142人，总人数约为240人。而国外EDA企业的情况是，新思科技2021年秋季财报数据显示，其员工人数大约16300人，研发人数占据80%左右；楷登电子的员工人数大约有9300人；再加上西门子，国外三大厂加起来大约有3万左右的人才。

国内要想保证不被卡脖子，在人才方面至少要有上万人才，而不是像现在这样差一个数量级。人才的稀缺一定程度上制约了行业的发展速度。

虽然行业最近几年加大了培养力度，但是EDA人才培养周期较长，短期内靠大幅投资培养来提升人员规模是比较困难的，并不能解决当下国产EDA产业缺人的燃眉之急。关键还是在于EDA这个市场大舞台能否吸引更多人才的自愿加入，这其中很重要的就是海外经验丰富的人才回流。

近些年，中美科技摩擦加剧，EDA软件成为美国对华封锁的武器。例如在2019年的EDA三巨头终止了与华为海思的合作，为国产芯片的发展蒙上了一层阴影。使得国内集成电路企业出于安全性和可持续性等因素考虑开始接受或加大采购具有国际市场竞争力的国产EDA工具，这就为国产EDA企业提供了良好的发展机会。根据GIA报告显示，中国EDA市场从2020 年至2027年复合年增长率预计高达11.7%。

再加上国家对集成电路产业的发展高度重视，EDA行业作为集成电路产业的重要基础，也得到了国家政策的大力支持，这些政策的推出与实施，提升了EDA行业的知名度。在2018年之前，行业关注度比较低，市场投、融资都较为平淡。但是这两年，EDA成为资本市场热捧的产业，国产多家EDA企业已经都拿到了可观的融资。

2020 年 1 月，商务部等八部委发布《关于推动服务外包加快转型升级的指导意见》，支持信息技术外包发展，将企业开展云计算、基础软件、集成电路设计、区块链等信息技术研发和应用纳入国家科技计划（专项、基金等）支持范围。

2020年8月，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，对于国家鼓励的集成电路企业，特别是先进的集成电路企业，予以大幅度税收减免。

2021年3月《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》将集成电路作为事关国家安全和发展全局的基础核心领域之一，并将集成电路设计工具列在集成电路类科技前沿领域攻关课题中的首位。

综合来看，国内EDA行业在政策引导、产业融资、人才培养等各方面均实现较大进展和突破，产业发展环境进一步优化。这将有助于国产EDA项目的加速落地，也有利于全球 EDA行业人才向国内市场汇聚，互联网、人工智能等行业人才向EDA行业回流，充实国内EDA行业人才储备。国产EDA产业的大门已经为广大优秀EDA人才敞开，EDA企业也纷纷向国外一大波优秀人才抛出橄榄枝。国产EDA产业的风口来临。

风口之下的国产EDA行业，其所带来的创新机会和价值前所未有。

文章来源：半导体行业观察，小洛说电子，半导体产业纵横