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
