當(dāng)前，人工智能正以前所未有的深度重塑半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，而作為芯片設(shè)計(jì)的 “引擎”，EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）領(lǐng)域正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)規(guī)則驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的范式遷移。主流EDA廠商紛紛加大AI工具研發(fā)的投入，通過引入AI技術(shù)賦能EDA工具，助力芯片設(shè)計(jì)，這場(chǎng)由AI引發(fā)的技術(shù)變革，不僅在重構(gòu)芯片設(shè)計(jì)的效率邊界，更在重新定義 EDA 工具的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
在日前舉行的CadenceLIVE中國用戶大會(huì)上，Cadence全球研發(fā)副總裁兼三維集成電路設(shè)計(jì)分析事業(yè)部總經(jīng)理Ben Gu（顧鑫），圍繞AI時(shí)代算力需求催生EDA領(lǐng)域的變革，分享了Cadence在3D-IC以及AI領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐。
AI推動(dòng)EDA工具進(jìn)化
近年來，AI引發(fā)的算力革命，在對(duì)人們的工作和生活產(chǎn)生影響的同時(shí)，也為半導(dǎo)體行業(yè)帶來機(jī)遇和挑戰(zhàn)。IDC的研究數(shù)據(jù)顯示，由于AI的驅(qū)動(dòng)，2030年半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將突破1萬億美元。
AI不僅驅(qū)動(dòng)了芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)步，在算力需求下，也讓芯片設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。更多的晶體管堆疊，更復(fù)雜的3D集成電路系統(tǒng)，以及領(lǐng)先的晶圓代工廠推動(dòng)更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)和制造方案等，都對(duì)芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)帶來巨大的挑戰(zhàn)。
在Ben看來，過去二三十年EDA行業(yè)發(fā)展迅速的重要的原因之一在于受到摩爾定律驅(qū)動(dòng)，而AI對(duì)于推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)流程的重塑將具有同樣的效能。新的EDA工具用來發(fā)展新一代的AI芯片，提升新一代的AI性能。同樣，新的AI技術(shù)也會(huì)被用于發(fā)展下一代的EDA技術(shù)提升EDA的性能。如此往復(fù)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)健康加速向前發(fā)展。
“據(jù)我們統(tǒng)計(jì)，2025年，已經(jīng)有超過一半的客戶在使用Cadence提供的不同形式的AI工具來進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)到2030年，AI在芯片設(shè)計(jì)流程中的占比將超過80%，從而使整個(gè)設(shè)計(jì)流程大幅自動(dòng)化。其中，AI智能體將發(fā)揮重要作用。未來兩三年，除了為客戶提供EDA工具，我們更希望能夠提供EDA的AI智能體?！盉en表示。
應(yīng)對(duì)算力挑戰(zhàn)的3D-IC
人工智能的發(fā)展，特別大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練和推理，對(duì)算力提出極高要求。傳統(tǒng)的二維集成電路（2DIC），逐漸顯現(xiàn)出局限性，面臨 “內(nèi)存墻”“互連瓶頸” 和 “散熱極限” 等多重阻力，無法滿足人工智能對(duì)高密度計(jì)算與高帶寬內(nèi)存的緊耦合要求。
因此，3D-IC成為行業(yè)在應(yīng)對(duì)AI時(shí)代算力挑戰(zhàn)時(shí)的突破方向，通過2.5D、3D或3.5D的堆疊來進(jìn)一步提高芯片算力和芯片之間的帶寬。比如，臺(tái)積電一直在積極推進(jìn)CoWoS等堆疊技術(shù)的創(chuàng)新演進(jìn)。而其下一代系統(tǒng)級(jí)芯片封裝技術(shù) SoW-X（System-On-Wafer），通過在Wafer上集成數(shù)十個(gè)芯片，實(shí)現(xiàn)RDL互聯(lián)，將能夠非常顯著地提升整體芯片算力。
在Ben看來，3D-IC將成為未來五到十年非常熱門的話題并帶來革命性的創(chuàng)新。同時(shí)，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，比如多個(gè)芯片堆疊在極小的芯片上將產(chǎn)生巨大功耗等，也為3D-IC設(shè)計(jì)帶來更多挑戰(zhàn)。為了讓3D-IC的設(shè)計(jì)符合需求，需要解決包括散熱、時(shí)序（Timing）、壓降分析（IR drop）等一系列問題。
據(jù)Ben介紹，今年3月，Cadence將與3D-IC相關(guān)的設(shè)計(jì)分析產(chǎn)品重新組合在一起，成立了全新的事業(yè)部HDA（Heterogeneous Design Analysis），通過三個(gè)層面的創(chuàng)新工作，應(yīng)對(duì)3D-IC所帶來的高速發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
HDA通過集成各種3D-IC需要的分析工具（電、磁、熱、力等），并與Cadence的設(shè)計(jì)平臺(tái)整合在一起。此外，我們還計(jì)劃將所有分析產(chǎn)品都移植到GPU上，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的性能加速，進(jìn)而訓(xùn)練AI模型實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步加速，幫助設(shè)計(jì)工程師可以用AI模型來探索設(shè)計(jì)空間并得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。
Integrity?：助力3D-IC設(shè)計(jì)
在產(chǎn)品側(cè)，為應(yīng)對(duì)3D-IC設(shè)計(jì)所帶來的挑戰(zhàn)，2021年，Cadence推出Integrity? 3D-IC設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過集成統(tǒng)一的操作界面和數(shù)據(jù)庫，將所有與3D-IC相關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括routing、placement等）融合在一起，為客戶提供一站式EDA工具服務(wù)。
Integrity?不僅同Cadence領(lǐng)先的數(shù)字和模擬領(lǐng)域的工具Innovus和Virtuoso緊密結(jié)合，還能與Cadence的各種分析工具，尤其是多物理場(chǎng)仿真分析工具結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。
據(jù)Ben介紹，過去幾年，Cadence持續(xù)投入提升Integrity?的性能和兼容能力，目前已實(shí)現(xiàn)和主要的晶圓廠伙伴及封測(cè)廠商的緊密合作，且已被所有的行業(yè)頭部客戶采用，包括領(lǐng)先的AI廠商和服務(wù)器廠商。
3D-IC 通過堆疊多層芯片實(shí)現(xiàn)高密度集成，但不同芯片因功能、工藝、尺寸差異大，且堆疊方式（如 TSV 位置、RDL 布線、散熱路徑等）會(huì)直接影響整體性能。因此，Integrity? 3D-IC中的System Planner（系統(tǒng)規(guī)劃器）便十分重要，能夠在芯片設(shè)計(jì)初始階段提供對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全局規(guī)劃，從而得到最佳的系統(tǒng)表現(xiàn)。同時(shí)，Integrity? 3D-IC平臺(tái)支持Cadence自研布線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片間復(fù)雜線路的連接，考慮到先進(jìn)封裝存在各種復(fù)雜布線需求，Integrity? 3D-IC還支持自動(dòng)布線和自動(dòng)分組。
此外，針對(duì)Cadence的多物理場(chǎng)仿真解決方案，Integrity? 3D-IC能夠?qū)崿F(xiàn)這些工具在芯片中的內(nèi)置和深度聯(lián)動(dòng)，幫助客戶驗(yàn)證結(jié)果并優(yōu)化設(shè)計(jì)。
Voltus：全新升級(jí)
Voltus是Cadence推出的一款電源完整性分析工具，已有11年歷史。據(jù)Ben介紹，今年Cadence計(jì)劃推出新一代Voltus產(chǎn)品——Voltus Infinity，大幅提升Voltus內(nèi)部算法，包括針對(duì)GPU加速的XD（neXt generation Dynamic）、針對(duì)廣泛仿真分析覆蓋度的算法XC （eXtreme Coverage），以及針對(duì)可用性分析和調(diào)試的XU （neXt generation User interface）等三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
據(jù)了解，Voltus-XD將Wafer中所有的IR drop（壓降分析）仿真引擎從CPU遷移到GPU，通過采用Voltus的GPU分析引擎實(shí)現(xiàn)加速，從而大幅縮短模擬時(shí)間。
今年5月，Cadence推出了超級(jí)計(jì)算機(jī)——Millennium M2000，將 NVIDIA GPU 技術(shù)與 Cadence 的全套計(jì)算軟件及 AI 功能相結(jié)合（包括XD技術(shù)），與傳統(tǒng)CPU集群需要兩周的時(shí)間相比，工程師現(xiàn)可在一天內(nèi)完成芯片級(jí)電源完整性模擬。
在提升仿真分析覆蓋度方面，過去因?yàn)榉抡嫘阅苁芟薜仍?，通常芯片設(shè)計(jì)在進(jìn)行Voltus和IR drop仿真時(shí)，只能覆蓋20個(gè)或100個(gè)時(shí)鐘周期（Cycle）以及芯片的少部分應(yīng)用。而升級(jí)后的仿真引擎Voltus-XC，可以將時(shí)鐘周期提升至百萬級(jí)別，使得芯片設(shè)計(jì)廠商能夠進(jìn)行更充分的驗(yàn)證，從而降低芯片設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，讓簽核（Sign Off）環(huán)節(jié)更加有保證。
在可用性以及可調(diào)試性方面，Voltus -XU采用了新一代的用戶界面，同時(shí)引入了AI助手（集成Cadence大語言模型和JedAI），便于用自然語言同EDA圖形界面互動(dòng)，debug、查詢?cè)O(shè)計(jì)結(jié)果。
AI賦能多物理場(chǎng)仿真
相比傳統(tǒng) 2D 芯片，3D-IC的優(yōu)勢(shì)是 “縮小面積、提升性能、降低功耗”，但堆疊結(jié)構(gòu)也直接帶來了大規(guī)模互聯(lián)產(chǎn)生的散熱和“機(jī)械失效”（Mechanical Failure）等方面的新問題。
在Cadence 的 EDA 工具生態(tài)中，Thermal/Mechanical（熱學(xué) / 機(jī)械應(yīng)力分析工具） 是其 “多物理場(chǎng)解決方案（Multiphysics Solution）” 的重要組成部分。
Ben Gu表示，準(zhǔn)確的Thermal仿真對(duì)3D-IC設(shè)計(jì)至關(guān)重要，Cadence的Celsius Thermal Solver自2019年面世以來，經(jīng)過多年打磨已完全能夠應(yīng)對(duì)3D-IC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。Celsius能夠同Innovus、Voltus有非常緊密地結(jié)合，從Voltus取得Power的數(shù)據(jù)后進(jìn)行仿真分析，再將結(jié)果反饋給Voltus得到更準(zhǔn)確的IR drop結(jié)果。目前，Celsius 3D-IC方案已經(jīng)被多家頭部客戶采用。
而為應(yīng)對(duì)機(jī)械失效等方面的挑戰(zhàn)，據(jù)Ben介紹，Cadence即將推出Tenacity Stress Solver。為應(yīng)對(duì)3D-IC多達(dá)數(shù)百萬個(gè)凸塊（bump）所帶來的復(fù)雜應(yīng)力（stress） 分析問題，Tenacity 能夠提供層級(jí)化的解決方案（Hierarchical solution），借助于AI和GPU的技術(shù)加速，在不犧牲精度的情況下，提供快速的仿真解決方案。
此外，針對(duì)常規(guī)3D-IC仿真較為耗時(shí)等問題，Cadence還即將推出Celerity AI 加速解決方案，加快設(shè)計(jì)流程提升設(shè)計(jì)表現(xiàn)。Celerity可以通過Cadence內(nèi)部生成的大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)訓(xùn)練仿真大模型，再交由客戶微調(diào)優(yōu)化，最終用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)仿真流程，提升芯片設(shè)計(jì)效率。
結(jié)語
從 Cadence 在 AI 時(shí)代的 EDA 創(chuàng)新實(shí)踐中，能夠清晰地看到 AI 正從 “輔助工具” 升級(jí)為驅(qū)動(dòng) EDA 工具研發(fā)與芯片設(shè)計(jì)變革的 “核心引擎”。
在領(lǐng)先的EDA廠商積極創(chuàng)新探索下，由AI 賦能的 EDA 工具正助力芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“降維破局”。未來，隨著 EDA AI 智能體的進(jìn)一步落地、多物理場(chǎng)仿真與 AI 的進(jìn)一步融合，EDA 工具將從 “自動(dòng)化” 邁向 “自主化”，不僅能幫助芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更高效地突破先進(jìn)工藝與復(fù)雜集成的技術(shù)壁壘，更將持續(xù)夯實(shí) AI 芯片創(chuàng)新的底層根基，最終推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)在算力革命中實(shí)現(xiàn)更具想象力的突破。
