行业资讯 I iMAPS 研讨会：摩尔定律，延续或超越？
去年10月，第 54 届国际微电子研讨会在圣地亚哥举行。这是由国际微电子组装和封装协会(international microelectronics assembly and packaging society)主办的会议，简称为 imaps。
大会上，cadence副总经理kt moore先生亲自到场发表了一场题为《判断电子设计的下一步：后摩尔时代亦或超越摩尔时代(more moore or more than moore: an eda perspective)》的主题演讲。由于 kt 先生的姓氏是 moore，和摩尔定律（moore's law）中是同一个单词，这场演讲可以说足够“摩尔”。
图为cadence副总经理kt moore先生在imaps大会发表主题演讲。
当然，“超越摩尔定律”(more than moore) 令人朗朗上口，用来描述系统在芯片上扩展的方式，而不是单纯地指扩大硅的尺寸，摩尔定律之前重要的内容就是缩小元器件并扩大硅尺寸；而“超越摩尔定律”指的就是高级封装。
当数年前 kt 先生听说 7nm 工艺时，他预测可能只有十家公司能够负担在这种节点进行设计的能力（我也怀疑数量不会很多，当时几乎所有作出预测的人也都是这样认为的）。但是我们都错了；目前有几百家公司正在进行 7nm 及更先进的设计，其中包括成熟的半导体公司、遍布全球各地的初创公司，以及开始自主设计芯片的系统公司。
正如上图所示，先进节点的成长比例比成熟节点强劲得多（当然，先进节点的起步基础较小）。但两者都在增长，半导体行业呈现一片欣欣向荣的景象。
复杂的系统设计方法出现了分叉，有点像“双城记”。图中的右下角是传统的 soc，即把所有东西都塞进一个裸片中；左上方是带有光学元件、射频...等其他功能的系统。目前，它们开始融合到中间的线上，形成异质系统的集成：
1985 年，kt 先生毕业后到texas instruments国防部门工作，参与了当时texas instruments规模最大的设计，有 9000 个晶体管。现在，有这么多器件的芯片上只要放置一个 i/o 就可以。但在当时，人们唯一关心的只是“功能是否正确”。渐渐地，我们需要检查设计的其他方面。现在，在“超越摩尔定律”的时代，我们担心的是如何一起完成所有复杂的系统级功能检查。
在电子设计 (eda, electronic design automation) 中，我们不再仅止于关注 io-ring内的情况，而是需要同时关注 io-ring外的各种性能问题。
在系统方面，设计的许多方面一直是彼此独立设计的。但由于缺乏集成的信息，往往导致单个裸片和封装出现过度设计而使得成本昂贵。
3d-ic 设计整合和管理
裸片放置和管脚bump 规划
没有单一的数据库来收集多种技术规范
跨越小芯片（chiplets）和封装的热分析
3d sta 和用于签核的时序工艺角数量猛增
系统级裸片间连接性验证
上下游跨域设计沟通
要解决现今工具缺乏集成的问题，显然就是开发更多的集成能力。下图显示了 cadence针对“航空、火车和汽车”的主要工具集成，这些领域都含有电子元件及许多其他部件。这不仅仅是关于“io 环内”的芯片，还包括外部的从电气和热分析到计算流体力学的一切。
“
以前可能只分析单独一块电路板，现在我们可以分析整个系统，并进行合理的计算。因为cadence工具可以高效进行架构设计，因此用户不必拥有巨大的内存，而是可以使用在云上可用的无限计算能力——无论是在公有云还是在私有云上。
——kt moore
”
设计工具的研发与并购
今天，我们用“超越摩尔定律”来讨论异构集成；但事实上，自 90 年代初业界开始探讨“多芯片模块 (multi-chip modules ，mcm)”以来，cadence 就一直在深耕这个领域。当然，这远在摩尔定律开始失去动力之前。
每家公司都面临一个共同的挑战：是在企业内部自行开发一款产品（有时称为“有机成长“），还是收购一家专攻某个领域的公司。在过去的两年里，cadence 在系统领域构建了一个完整的产品组合，混合采用了这两种方法：
clarity 家族，用于系统级电气分析的工具（内部开发）
celsius家族，用于热分析的产品 （内部开发）
awr家族，用于射频设计的产品 （收购）
integrand 工具，用于 2.5d 芯片上的电磁分析（收购）
inspectar工具，pcb 增强现实（ar）技术（收购）
numeca技术，用于计算流体力学的求解器 （收购）
sigrity x工具，用于下一代信号和电源完整性的产品（内部开发）
pointwise家族，用于 cfd 网格划分的产品（收购）
其中，有一件事令业内人士都感到惊讶，那就是 cadence 将 38% 的收入投资到研发之中，这一比例在行业内处于领先水平。在半导体设计和集成方面，总是会不断涌现新的要求。
设计完整性
kt 最后谈到了 integrity 3d-ic平台，这是一款专门针对堆叠裸片 3d 芯片设计的新产品。该工具可以进行 3d 规划（如传统在同一个层面上，称为布局规划）和设计实现。并且，它可以进行早期的 3d 热、功耗和时序分析。这些能力结合在一起，不仅在单个裸片的层面上，也在系统的层面上优化了 ppa。
“
ppa 是指功耗(power)、性能(performance)和面积(area)，这也是半导体领域的术语。我们谈论的是在实现最佳性能的同时，使芯片尺寸尽可能小、功耗尽可能低。设计师面对的问题是“这对于高级封装来说有什么不同？”其实没有什么不同，但是必须采取不同的方法。
……
归根结底，关键在于全面的集成。设计师需要知道，自己能够信心十足地完成设计。当开始组合这些异构设计时，有很多地方会出现问题。因此，integrity 3d-ic平台融合了cadence的布局和布线技术，以及仿真分析技术。我相信cadence是目前唯一一家可以宣称将这些技术相互集成的公司，所以cadence提供了真正的集成解决方案。这就是 eda 的发展方向，我们正在与一些客户和合作伙伴携手合作，共同引领这一潮流。
——kt moore
”
最后的问题
在主题演讲的最后，kt提出了最后一个问题：
我们应该让摩尔定律继续发展？还是追求超越摩尔定律？
答案您可能早已知晓，kt 的答案是我们需要两者兼顾。
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当然，“超越摩尔定律”(more than moore) 令人朗朗上口，用来描述系统在芯片上扩展的方式，而不是单纯地指扩大硅的尺寸，摩尔定律之前重要的内容就是缩小元器件并扩大硅尺寸；而“超越摩尔定律”指的就是高级封装。
当数年前 kt 先生听说 7nm 工艺时，他预测可能只有十家公司能够负担在这种节点进行设计的能力（我也怀疑数量不会很多，当时几乎所有作出预测的人也都是这样认为的）。但是我们都错了；目前有几百家公司正在进行 7nm 及更先进的设计，其中包括成熟的半导体公司、遍布全球各地的初创公司，以及开始自主设计芯片的系统公司。
正如上图所示，先进节点的成长比例比成熟节点强劲得多（当然，先进节点的起步基础较小）。但两者都在增长，半导体行业呈现一片欣欣向荣的景象。
复杂的系统设计方法出现了分叉，有点像“双城记”。图中的右下角是传统的 soc，即把所有东西都塞进一个裸片中；左上方是带有光学元件、射频...等其他功能的系统。目前，它们开始融合到中间的线上，形成异质系统的集成：
1985 年，kt 先生毕业后到texas instruments国防部门工作，参与了当时texas instruments规模最大的设计，有 9000 个晶体管。现在，有这么多器件的芯片上只要放置一个 i/o 就可以。但在当时，人们唯一关心的只是“功能是否正确”。渐渐地，我们需要检查设计的其他方面。现在，在“超越摩尔定律”的时代，我们担心的是如何一起完成所有复杂的系统级功能检查。
在电子设计 (eda, electronic design automation) 中，我们不再仅止于关注 io-ring内的情况，而是需要同时关注 io-ring外的各种性能问题。
在系统方面，设计的许多方面一直是彼此独立设计的。但由于缺乏集成的信息，往往导致单个裸片和封装出现过度设计而使得成本昂贵。
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“
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“
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