3D集成芯片：重塑半导体未来的关键

3D集成芯片：重塑半导体未来的关键。

在国际半导体市场，一场围绕全3DIC基础组件的竞赛正愈演愈烈。根据Semiengineering的报道，英特尔代工、台积电和三星代工都在争夺这一领域的领先地位。未来几年，这些组件的协同作用将带来性能上的巨大提升，同时保持低功耗。

市场数据方面，Future Market Insights在9月发布的报告预测，3D IC和2.5D IC封装市场将以9.0%的年复合增长率增长。从2025年至2035年，该市场预计将从583亿美元增长至1380亿美元。复合绝对增长分析显示，由于高性能计算、人工智能加速器以及下一代内存堆叠的需求增长，市场规模将扩大近797亿美元。

值得注意的是，中国以12.2%的增速领先全球市场，紧随其后的是印度、德国、法国、英国和美国。

中国不仅在市场方面具有优势，还在技术、生态等方面积极布局集成芯片。下一个周期的半导体发展中，集成有可能取代制造的位置，成为产业链上的关键环节。

这是一场不能输的竞赛。

3D集成芯片：绕过摩尔定律

随着半导体制造工艺接近物理极限，摩尔定律带来的性能提升与成本效益正显著放缓。在此背景下，芯片集成技术，特别是以芯粒（Chiplet）为核心的异构集成，正成为推动行业发展的关键方向。

芯片集成的新方向核心在于其模块化和异构化的能力。通过先进封装技术，可以将不同工艺节点、不同制造商甚至不同材质的芯粒组合在单一封装内。例如，高性能计算核心可采用最先进的工艺制造，而成本敏感的I/O或模拟模块则可使用成熟的工艺节点。这种方式不仅优化了各功能模块的成本与性能，还通过复用已有的芯粒设计，显著缩短了产品的开发周期和上市时间。

集成芯片的主要优势体现在性能、功耗和成本三个维度。在性能层面，通过3D堆叠等技术将内存与逻辑计算单元垂直整合，极大缩短了数据传输路径，有效缓解了传统计算架构中的“内存墙”瓶颈，提高了数据处理效率和带宽。这直接转化为更低的功耗，因为数据在芯片内部的移动是能耗的主要来源之一。

在成本方面，制造多个小尺寸芯粒的综合良率远高于制造单个大尺寸芯片，降低了因单一缺陷导致整个芯片报废的风险，从而控制了制造成本。

支撑这一技术方向的是2.5D及3D封装等先进封装工艺。这些技术通过硅中介层（Interposer）或硅通孔（TSV）等方式，实现了芯粒之间高密度的互连。当前，互连密度已成为与晶体管密度同等重要的性能指标。这种高密度集成使得封装内的组件可以实现比传统PCB板高出数个数量级的带宽，同时功耗更低，为高性能计算和人工智能等数据密集型应用提供了必要的物理基础。

EDA平台：3D集成的设计灵魂

3D封装首先需要更先进的EDA工具支持。

三维堆叠架构对EDA工具提出了新的技术要求。设计复杂度大幅增加，从单一工艺的二维布局转变为涉及多个芯片、多种物理场的系统级工程。热管理、机械应力、跨芯片时序收敛和电源完整性等设计考量转变为影响系统可行性的主要因素。为平面芯片设计的传统EDA工具难以处理上述系统级复杂性。

因此，EDA软件的角色从单芯片设计工具转变为支持系统级集成的平台。国际三大EDA厂商——新思科技、楷登电子和西门子EDA已进行深度布局，推出了一系列针对性的解决方案。

新思科技的核心产品是3DIC Compiler平台，该平台基于统一的数据模型，将架构探索、实现、分析和签核等阶段整合在单一环境中。通过其Synopsys.ai技术特别是3DSO.ai平台能够提供自主化的AI优化并整合Ansys在电源、热和信号完整性方面的物理分析能力。

楷登电子则推出了Integrity 3D-IC平台其突出优势在于系统级的多物理场分析和跨平台协同设计能力该平台与公司的Innovus（数字实现）、Virtuoso（模拟设计）以及Allegro（封装/PCB）等工具深度集成并利用Celsius和Sigrity求解器为芯片-封装-电路板的全链路协同分析提供了热与电性能签核支持。

西门子EDA的布局重点体现在其Xpedition Package Designer和Innovator3D IC解决方案套件并以其行业标准的Calibre系列工具在验证签核环节建立优势特别是Calibre 3DStress等工具专注于解决3D架构中因热机械应力引发的翘曲变形等问题。

混合键合：关键设备

在设备领域混合键合相关设备尤为重要。

混合键合是一种用于芯片间连接的先进封装技术包括晶圆对晶圆键合和芯片对晶圆键合两种形式其核心在于通过金属焊盘与周围氧化物的直接接触实现连接无需任何填充材料如焊料。

荷兰的BESI公司是当前混合键合设备领域的市场领导者已交付首批具备百纳米精度的设备并计划在2025年底前实现50纳米精度的技术突破。另一家全球设备巨头ASMPT也取得了显著进展在2024年第三季度向逻辑芯片客户交付了首台混合键合设备并已获得用于下一代HBM的应用订单预计于2025年交付。

存算一体：未来趋势？

存算一体技术旨在解决传统计算架构中的“冯·诺依曼瓶颈”问题。在该架构下数据在独立的存储与计算单元间频繁搬运导致了显著的延迟和功耗在人工智能（AI）等数据密集型应用中尤为突出。为实现存算一体 3D-IC技术提供了关键的物理基础。