隨著AI帶動3D IC與先進封裝技術進入高複雜度時代,晶片設計已不再只是微米級的工程挑戰,而是跨越電、光、熱、應力等多重物理場的全面考驗。
模擬軟體大廠 Ansys 於8月13日舉辦「Ansys Simulation World 2025 台灣用戶技術大會」,不僅展示從奈米級晶片到公里級系統的一體化模擬解決方案,台積電則首度公開雙方在3D IC合作的效能數據、優化策略與未來挑戰。
晶片設計越來越複雜,「模擬」成為降本提效關鍵武器
台積電資深專案經理顧詩章指出,AI應用需求推升了先進製程與先進封裝,這讓模擬系統的重要性快速提升。僅在去年,台積電單一部門就使用Ansys進行超過一萬次模擬。
他解釋,過去3D IC技術的發展路徑較為單純,設計的可預測性較高;如今先進封裝結構日益複雜,像是CoWoS技術即需要將邏輯晶片、記憶體封裝在同一個中介層上,導致細部設計與參數安排變得更加困難,必須依賴精確且高效的模擬系統。
「使用模擬系統可以刺激想像力。」顧詩章指出,模擬系統除了能在設計前、中、後提供協助,幫助團隊在成本可控的條件下選擇最佳材料與結構,也能啟發更多創新構想。Ansys 臺灣技術總監魏培森則補充,模擬系統能有效降低客戶的試錯成本,應對複雜挑戰並加快上市時程。
從微米到公里,解決跨尺度、多物理場的設計挑戰
具體而言,模擬系統能夠如何協助晶片設計?目前3D IC的設計流程,涉及跨尺度(Multi-Scale)與多物理場(Multiphysics)的多重挑戰:
- 跨尺度:設計時需要顧及微米級的RDL(重布線層)到毫米級的封裝,尺寸跨度極大。
- 多物理場:幾何面、材料面、狀態面都需同時考量,例如蹺曲、材料塑性、不同製程步驟的結構變化等,並且晶片內部的電、光、熱、應力等,都會互相影響。
Ansys技術長奈爾(Jayraj Nair)補充,各層級設計結果之間高度耦合,例如奈米級晶片的熱設計會影響毫米級封裝的散熱效率,進而影響整體穩定性與可靠度。因此,模擬工具必須能跨尺度、多物理場同時分析,才能避免問題在量產後才浮現。
奈爾表示,隨著Synopsys與Ansys在今年合併,團隊的模擬能力已涵蓋從奈米級IP設計到公里級城市系統,形成一體化的「Silicon to Systems」解決方案。
模擬,是新製程時代的競爭護城河
在新製程時代,模擬早已不只是驗證設計的輔助工具,而是決定研發節奏與產品競爭力的關鍵環節:更快的運算效能,意味著能在更短時間內完成更多設計方案的比對與驗證。本次技術大會中,台積電花費極大篇幅討論Ansys模擬軟體的效能問題,更加展現產業對於此議題的重視程度。
攤開台積電釋出的數據,透過系統微調與排程優化,在不更換硬體的情況下,Ansys的效能可累積提升60%。但硬體方面卻面臨成長受阻:當CPU核心數增加十倍,效能提升卻不到五倍。
此外,台積電也分享,根據內部測試,在不同的高效能運算(HPC)配置下,Ansys模擬軟體在成本與效能間存在明顯差異,尤其在GPU加速方面尚待加強。以3D IC設計為例:
配置一:單顆CPU搭配一張GPU,在成本增加2倍的情況下,計算速度僅提升1.98倍。
配置二:8顆CPU的純CPU架構,成本僅增加1倍,卻能取得5.6倍的運算效能。
顧詩章指出,公司一向追求99.99%的高標,並期許Ansys能將目前96.8%的客戶滿意度推向極限,他表示未來雙方的合作關係將會更加完整,必須共同解決模擬軟體的效能與成本問題。
綜觀台積電的經驗與數據,模擬效能的提升已不只是單純的工程優化,而是攸關先進製程、封裝研發進度與市場競爭力的核心戰場。如何讓每一分算力發揮最大價值,將成為晶片產業在新製程時代維持領先的關鍵課題。
責任編輯:李先泰