芯粒落地，为何亟需加快仿真速度？

作者：是德科技EDA总经理 Nilesh Kamdar

芯粒（Chiplet）已经成为行业主流。半导体产业的关注点已经不再是要不要采用芯粒技术，而是如何实现芯粒技术的规模化落地。IDTechEx的研究表明，芯粒正在数据中心、AI基础设施、电信以及汽车领域发挥关键作用，帮助行业突破工艺缩放的限制、提升良率，并降低成本。不过，不少向模块化架构转型的设计团队都有这样一种错误认知：他们把工具链看作转型的主要障碍，但真正制约转型的，其实是仿真速度。

芯粒落地的现状

受复杂度与成本限制，芯粒并非适用于所有场景，不过它已在高性能计算与边缘工作负载场景中充分证明了自身价值。当前，这项技术已成功应用于AI基础设施、航空航天、自动驾驶等领域。相较于这些场景能够获得的性能增益，芯粒的相关投入具备其合理性，而芯粒的应用规模也在持续扩张。不过，芯粒的规模化落地也引出了一系列新课题，其中不少难点并不在于裸片本身。

仿真工具链现已跟上硬件的发展步伐，可针对芯粒的异构堆栈完成电气、热学、机械与光学的行为分析。但核心问题不在于分析能力，而在于分析速度。

单片集成电路的仿真一般仅覆盖单个裸片、工艺节点，以及单组物理交互效应。而在芯粒设计中，仿真需要覆盖多颗采用垂直堆叠或中介层互连等技术集成的裸片，这些裸片可能来自不同晶圆厂，每颗裸片都具备独立的电学特性、热学特性与失效模式。因此，每增加一层结构，仿真的计算需求都会大幅上升。

针对多保真度热建模的相关研究显示，2.5D/3D芯粒系统的有限元模拟可能需要数天时间，仿真耗时直接受几何细节、复杂性与配置参数影响。如此漫长的仿真周期与现代设计节奏严重脱节，会增加不必要的迭代次数，难以快速得到分析结论。

为何多物理场协同设计必不可少

芯粒设计本质上属于多物理场问题。垂直堆叠的裸片之间存在向上的热量传导；跌落、振动产生的机械应力会影响焊点连接，继而改变电气性能；在数据中心场景中，共封装光学器件还会在本就存在电热交互的堆栈里引入光学物理效应。这些物理效应不能孤立建模：出于电气考虑选用的材料，可能会增加热管理难度；为优化散热性能做出的设计改动，又有可能削弱机械稳定性。因此，工程师需要对整个系统进行综合分析。

例如，当智能手机尝试连接微弱信号时会出现过热现象，而过热会加速电池耗电，迫使无线电模块增大工作强度，继而又产生更多热量。在芯粒堆栈中，这种反馈循环会同时发生在多个裸片、材料和物理域之间。

验证环节进一步放大了挑战难度。传统模块级验证方案是针对单裸片系统开发的，并没有考虑多裸片、多工艺节点、多层封装之间的相互作用。有效的验证必须从一开始就采用系统级思路：先分别完成单颗裸片测试，再确认堆栈组装完成后的整体性能依旧可以满足相关指标。像热学效应、信号串扰等因素在元器件层级是难以察觉的，只有在完整系统建模时才会显现。硬件辅助的验证环境能够发现静态分析难以捕捉的时序与互操作性问题，但前提是仿真速度能够跟上设计迭代的节奏。

如何提升仿真速度

解决这类仿真难题的关键在于加快仿真结果的输出速度，而非开发全新工具。一种方法是计算能力优化。将复杂的仿真任务分布到数百台机器上，或者改用GPU而不是CPU进行运算，都能大幅缩短周转时间。很多问题依靠该方法就可以满足需求。

当单纯增加算力仍无法满足速度要求时，AI模型能够带来根本性改变。首先，工程师需要基于广泛的设计参数运行仿真，以完成模型训练。训练完成后，模型仅需数秒就能输出仿真结果，不再需要耗费数天时间。这能帮助减少原型迭代次数，助力设计团队快速决策。相关研究表明，采用该方法构建的热学模型，只需原计算开销的一小部分，即可将误差控制在1.7摄氏度以内。

这套方案的落地，离不开底层基础设施的访问能力。传统EDA工具面向人工操作设计，依托图形界面逐个分析各种配置。但训练AI模型需要生成海量数据，这就要求运行由机器驱动的分析流程，并且将环境设置为支持脚本与API调用，以便捷地在数千种设计配置下进行参数调整。这不仅优化了仿真的成本效益，还打破了阻碍跨领域设计团队协作的知识壁垒。

芯粒与仿真的未来

芯粒的应用正从高端数字领域逐步扩展到模拟、混合信号、射频、航空航天等。每一种新应用都会带来独特的物理特性与仿真需求。毫米波射频芯粒的电磁行为，以及其与热学效应和机械效应的相互作用方式，与数字逻辑芯片截然不同。一款在极端温度环境下运行、功耗预算严苛、可靠性要求严格的无人机芯粒，也不能直接照搬数据中心芯粒的验证假设条件。每向一个新领域拓展，都会新增一套独特的仿真需求。随着芯粒应用规模扩大，仿真的复杂程度只会持续增加。因此，搭建适配的仿真基础设施，不只是一项技术选择，更是一项关乎企业竞争力的战略决策。

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