台积电先进制程和封装细节深度剖析

台积电院士兼副总裁 LC Lu 在之前的一个短短 26 分钟演讲内用数十张幻灯片谈到了实现系统创新。

台积电是全球排名第一的半导体代工企业，他们的开放式创新平台 (OIP) 活动很受欢迎，参加人数也很多，因为所提供的工艺技术和 IP 对许多半导体设计领域都非常有吸引力。台积电技术路线图显示了到 2025 年的 FinFET 和 Nanosheet 计划的时间表。

从 N3 开始，出现了一种名为FinFlex的新产品，它使用设计技术协同优化 (DTCO)，有望为节能和高性能等细分市场改进功率、性能和面积 (PPA)。借助 FinFlex 方法，设计人员可以根据其设计目标从三种晶体管配置中进行选择：

• 3-2 fin blocks，用于高性能

• 2-2 fin，高效性能

• 2-1 fin，功率最低，密度最佳

工艺节点 N16 到 N3 中使用的fin选择的历史如下所示：

EDA 供应商 Synopsys、Cadence、Siemens EDA 和 ANSYS 已经更新了他们的工具以支持 FinFlex，并且在单个 SoC 中，您甚至可以混合使用fin block选项。沿着时序关键路径，您可以使用高fin单元，而非关键路径单元可以是低fin。作为进程缩放优势的示例，Lu 展示了一个 ARM Cortex-A72 CPU，在 N7 中实现，具有 2 个fin，N5 具有 2 个fin，最后是 N3E 具有 2-1 个fin：

N3E 的 IP 单元来自多家供应商：TSMC、Synopsys、Silicon Creations、Analog Bits、eMemory、Cadence、Alphawave、GUC、Credo。IP 准备状态分为三种状态：硅报告准备就绪、硅前设计套件准备就绪和开发中。

在 TSMC，他们的模拟 IP 使用结构化程度更高的规则布局，这会产生更高的产量，并让 EDA 工具自动化模拟流程以提高生产力。TSMC 模拟单元具有均匀的多晶硅和氧化物密度，有助于提高良率。他们的模拟迁移流程、自动晶体管大小调整和匹配驱动的布局布线支持使用 Cadence 和 Synopsys 工具实现设计流程自动化。

模拟单元可以通过以下步骤进行移植：原理图移植、电路优化、自动布局和自动布线。例如，使用他们的模拟迁移流程将 VCO 单元从 N4 迁移到 N3E 需要 20 天，而手动方法需要 50 天，快了大约 2.5 倍。

台积电需要考虑三种类型的封装，分别是二维封装（InFO_oS、InFO_PoP）2.5D封装（CoWoS）和3D封装（SoIC和InFO-3D）

3DFabric 中有八种包装选择：

最近使用 SoIC 封装的一个例子是 AMD EPYC 处理器，这是一种数据中心 CPU，它的互连密度比 2D 封装提高了 200 倍，比传统 3D 堆叠提高了 15 倍，CPU 性能提高了 50-80%。

3D IC 设计复杂性通过 3Dblox 解决，这是一种使用通用语言实现 EDA 工具互操作性的方法，涵盖物理架构和逻辑连接。四大 EDA 供应商（Synopsys、Cadence、Siemens、Ansys）通过完成一系列五个测试用例，为 3Dblox 方法准备了工具：CoWoS-S、InFO-3D、SoIC、CoWoS-L 1、CoWoS-L 2。

台积电通过与以下领域的供应商合作创建了 3DFabric 联盟：IP、EDA、设计中心联盟 (DCA)、云、价值链联盟 (VCA)、内存、OSAT、基板、测试。对于内存集成，台积电与美光、三星内存和 SK 海力士合作，以实现 CoWoS 和 HBM 集成。EDA测试厂商包括：Cadence、西门子EDA和Synopsys。IC测试供应商包括：Advantest和Teradyne。

AMD、AWS 和 NVIDIA 等半导体设计公司正在使用 3DFabric 联盟，随着 2D、2.5D 和 3D 封装的使用吸引了更多的产品创意，这个数字只会随着时间的推移而增加。台积电拥有世界一流的DTCO工程团队，国际竞争足以让他们不断创新新业务。数字、模拟和汽车细分市场将受益于台积电在 FinFlex 上宣布的技术路线图选择。3D 芯片设计得到 3DFabric 联盟中聚集的团队合作的支持。