從過度設計到協同設計：正視晶片的多物理場挑戰

在半導體產業中，解決一種問題，往往也會引發另一種挑戰。

目前，我們正在見證從單一晶片 (monolithic chip) 邁向 2.5D 與 3D 多晶粒設計 (multi-die designs) 的轉變。這些架構有助於解決效能、頻寬以及能源效率等重大挑戰，而這些都是滿足人工智慧 (AI) 系統與工作負載的關鍵要素。

然而，新的問題也隨之而來——也就是多物理場 (multiphysics)。

當邏輯、記憶體與運算單元被更緊密地封裝，並以更近的距離堆疊，它們之間會越來越容易受到熱能 (thermal)、電磁效應 (electromagnetic) 以及其他物理因素的相互影響。

在過去，這些物理效應通常被視為次要問題，可以在設計後期再進行獨立分析與修正。然而，隨著先進製程節點與多晶粒設計的發展，多物理場效應的交互作用變得更加顯著且難以預測。因此，工程團隊開始在設計中加入額外的裕度 (margin)，以對抗不確定性。

但這樣的做法，本身也引發了一系列新問題。

在過去，產業面對不確定性的其中一種傳統應對方式，就是過度設計 (overdesign)。

當工程師無法完全預測晶片在真實運作環境中的行為時，通常會透過增加設計裕度 (margin) 來補償。例如為時序 (timing) 上加入保護頻帶 (guardband)、為功耗建立安全緩衝，並採取較為保守的設計決策，以避免後續發生失效問題。

然而，在先進製程節點下，過度設計的代價已變得太過高昂。

每增加一點裕度，都意味著在功耗 (power)、效能 (performance) 或面積 (area) 上的犧牲。每一個保守的假設，都可能造成矽資源浪費與效率下降。而這些代價累積起來相當可觀。

根據《International Journal on Science and Technology (IJSAT) 》的估計，過度設計所帶來的影響——主要源於為因應製程、電壓與溫度變異而導入的過多設計裕度 (或是保護頻帶)——在先進製程節點 (5奈米以下) 中，約佔總功耗損失的 20% 至 45%，並造成 20% 至 35% 的矽晶圓面積浪費。

在 AI 系統中則更凸顯了這些權衡取捨，因為其對效能的需求極高，而能源效率同樣關鍵。工程團隊無法再因為缺乏對設計物理行為的充分掌握，而錯失最佳化的機會。

因此，我們需要更全面的分析與關連性 (correlation) 驗證，且必須更早將其導入設計流程。

多物理場效應並非獨立事件。在 2.5D 與 3D 多晶粒設計中，這些效應會彼此交互作用，且其影響也會層層累積放大。

• 熱管理 (Thermal management)：在堆疊或高度整合的設計中，熱能容易滯留於晶粒 (也被稱作小晶片) 之間，形成局部「熱點 (hotspot)」，導致晶片效能降低或損壞。
• 電源完整性 (Power integrity)：通過矽穿孔 (TSVs) 時的電壓下降可能導致電源波動，進而影響時脈穩定性。
• 電磁干擾 (Electromagnetic interference)：當高速訊號穿越高密度結構時，干擾會導致資料錯誤或串擾 (crosstalk) 現象。
• 機械應力 (Mechanical stress)：不同材料之間的熱膨脹係數差異，會在堆疊結構中引發結構翹曲 (warpage) 問題，進而導致裂縫 (cracking) 或分層剝離 (delamination)。

這正是業界「左移 (shift left)」思維如此重要的原因。如果團隊太晚才開始評估這些交互效應，往往會在後期面臨突發問題、反覆修正，甚至需要進行成本高昂的重新流片 (re-spin)。

但若能在設計初期即掌握這些交互作用，就能在複雜性演變為風險之前，做出更好的架構與設計決策。

在新思科技 (Synopsys)，我們相信這項轉變需要一種更整合的設計方法，也就是將多物理場感知 (multiphysics awareness) 與真正的協同設計 (co-design) 直接導入工作流程之中，而不是將其視為後端活動來處理。

新思科技推出的第一波多物理場融合 (Multiphysics Fusion) 解決方案，正體現了此種全新方法。該方案結合新思科技領先業界的矽晶設計工具，與安矽思 (Ansys) 的黃金標準簽核 (gold-standard signoff)  分析功能，目前已可投入量產使用，並涵蓋五大關鍵領域：時序簽核 (timing signoff)、設計收斂 (design closure)、多晶粒設計 (multi-die designs)、類比與混合訊號 (AMS) 設計，以及光子設計 (photonics design)。

將這些能力串聯起來的關鍵，不僅僅是更強大的分析能力，而是在工程師既有設計與驗證流程中，建立更完整的設計情境資訊 (context) 以及達到更高的關聯性 (correlation)。

在時序簽核方面，這代表能夠理解真實世界的電源與熱條件如何影響時序行為。在設計收斂方面，代表能以更高信心、更少的迭代 (iteration) 解決實體問題。在多晶粒設計方面，代表能更早掌握系統層級的交互作用；在 AMS 設計方面，代表能將電磁效應提前納入關鍵決策；而在光子設計方面，則代表能消除人工設計交接，加速整體系統開發。

雖然這些屬於不同的設計流程，但其核心挑戰是一致的：理解多個物理領域之間如何交互作用，並相互影響。