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台积电开放创新平台的发展：培育三维芯片集成的生态系统

陈昇祐，Whoscored中文官网

引言

半导体制造业一直是由创新和协作推动的产业。随着芯片组件变得越来越复杂，并通过三维堆叠和集成向第三维度发展，无缝的伙伴关系在整个设计和制造领域变得比以往任何时候都更重要。台积电作为全球最大的半导体代工厂，通过他们的开放创新平台已经培育这种开放生态系统超过15年。开放创新平台现已发展，以领导产业向先进的三维体系结构转型，通过一个称为“3D Fabric”的新倡议。通过围绕共同的标准和流程汇聚半导体供应链中的合作伙伴，3D Fabric 旨在加速三维集成的采用，并开启异构芯片设计的新时代。

用开放创新奠定基础

台积电在当时的首席执行官张忠谋博士的领导下，于2008年启动了开放创新平台的基础。张博士构想开放创新平台是一个开放的协作平台，将台积电的能力和知识产权与创新伙伴和客户汇聚。其目标是培育一个生态系统，在这个系统中，客户可以通过提早访问制造技术和共同开发接口、参考设计和知识产权，实现更快的创新。

这种协作方法代表了半导体行业传统模式的重大转变，在传统模式中，代工厂、IP供应商、EDA工具和设备制造商都各自运作。台积电看到需要提前在设计流程中协调这些不同环节，减少重复工作，加快设计到量产的周期。

在过去的15年中，台积电的开放创新平台已扩展到包括来自250多家公司的1万多名合作伙伴工程师。这覆盖了整个生态系统的全谱系–代工客户、IP合作伙伴、EDA供应商、设计服务提供商以及封装和测试合作伙伴。开放创新平台的举措已经产出了超过7万个，包括接口、IP、各设计平台的参考流程、软IP和用于无晶圆厂芯片设计师的PDK。台积电现在通过开放创新平台与其90%的客户进行协作，以加速从移动和高性能计算到汽车和物联网在几乎所有主要半导体领域的创新。

这种由合作伙伴驱动的模式在台积电保持其作为硅制程缩小和复杂性提高的领导地位方面发挥了关键作用。以朝着下一个地平线——三维芯片集成为目标扩展开放创新平台，是带动生态系统向前发展的自然演进。

用3D Fabric进入第三维

2022年10月，台积电宣布了新的开放创新平台计划，名为3D Fabric，以推动三维芯片堆叠技术进入主流。通过垂直分区集成电路，三维集成长期以来一直承诺可以带来更高性能、更低功耗和更好的良率等优势。但是，它也在供应链协调、设计工具、仿真、测试、热性能和可靠性等方面引入了巨大的复杂性。

让整个产业团结起来对于克服这些挑战，使多芯片3D系统设计和制造像2D芯片一样简单至关重要。与开放创新平台的原始目标类似，3D Fabric的使命是为设计和制造生态系统提供一个开放的创新平台，以就3D专用解决方案进行协作。关键的关注领域包括参考流程、接口标准、IP开发工具包和测试方法。

尽管台积电在领导3D Fabric，但实施依赖于整个半导体供应链中的伙伴，例如：

EDA供应商：Synopsys、Cadence、Siemens EDA、Ansys、Keysight
IP合作伙伴：ARM、Rambus、Alphawave、Silicon Creations、Cadence， Synopsys
OSAT： ASE、Amkor、SPIL
基板供应商：Ibiden、Unimicron
测试：Advantest、Teradyne

图一 3DFabric联盟伙伴

围绕共同的3D设计和制造流程汇聚这些合作伙伴需要从零开始建立新的框架和标准。为此，台积电在2021年推出了一个名为3Dblox 的开放标准。这些模块提供了在3D设计环境中集成不同供应商的工具和数据的通用规范和API。这允许客户将EDA工具、PDK、模型和仿真组合成一个单一的、互操作的3D流程。这些模块的广泛采用有助于该行业尽早围绕最佳实践达成共识，而不是使用碎片化的专有流程。

图二 3Dblox™标准

2023年9月，台积电与合作伙伴一起发布了一个增强的3Dblox™ 2.0标准，引入了更高级的功能，如设计规则检查、3D功率分析和管芯间信号集成。采用已经开始——Synopsys已经在他们的工具中实现了3Dblox™ 2.0，关键客户如Nvidia正在利用它进行 3D IC原型设计。随着工具和方法的成熟，3D Fabric旨在从设计角度出发，使晶粒和异构集成即插即用。

虽然标准有助于互操作性，但参考流程和测试用例对于加速学习同样重要。台积电和Cadence使用台积电开发的参考流程制造出了行业首批3D IC原型之一。这些端到端的用例涵盖了从楼层规划到布局布线的方方面面，提供模板和最佳实践。合作伙伴开发的针对3D的IP也可作为设计人员可以集成以快速启动的构建块。

下一代半导体创新的前沿

三维集成标志着半导体行业在不断提高芯片性能和功能方面的下一个重要转折点。根据台积电的预测，到2025年，超过50%的领先工艺芯片将采用3D封装。但是，这需要整个供应链和生态系统进行巨大的技术转型。从设计角度来看，先进的3D IC要复杂得多，有多个不同IP层叠在一起。制造工艺必须紧密协调过去相对独立的步骤，如片间层制造、芯片薄化和微柱凸点互连。

异构集成的承诺只有当产业共同创新以消除这个复杂3D工艺的每一个阶段的摩擦时才能实现。台积电通过15多年的开放创新平台协作证明，开放的生态系统方法可以加速技术采用和推动增长。3D Fabric代表着这种成功模式的下一个演进——汇聚伙伴共同努力，使3D设计和制造像平面集成一样无缝。

随着3Dblox 和参考流程等框架的早期践行，台积电开放创新平台所培育的伙伴关系正在为三维系统级芯片奠定基础。这一转变将为云和先进HPC等领域解锁新的chiplet架构范式。正如台积电的协作方法帮助扩展摩尔定律至今的最小工艺节点，通过3D Fabric与合作伙伴的紧密协调旨在使先进的三维集成在下一代电子产品中普及。这个开放生态系统所培育的创新将塑造半导体行业进入第三维的未来。