（本文编译自Semiconductor Engineering）
仿真在整个设计到制造流程中正扮演着越来越关键和核心的角色，它将从设计、制造到测试的各个环节紧密结合在一起，以减少芯片重新流片的次数和成本。
现代芯片的密度极高，再加上3D堆叠和异构集成等先进封装技术，使得迭代物理原型设计的成本变得高昂且耗时。在设计的早期阶段，错误常常难以察觉，这可能导致多次芯片重新流片、良率损失和产品上市延迟。仿真有助于在流程早期减少错误数量，加快产品上市时间，降低缺陷率，并提高整体效率。
过去，芯片制造商依靠硅前验证来确保数字电路按预期功能运行，但这对于先进的IC和封装来说已远远不够。当今的半导体架构包含多芯片集成、更精细的互连间距以及更高的热密度和功率密度，因此仿真必须超越电气性能范畴。
西门子EDA Calibre nmDRC应用产品管理总监John Ferguson表示：“当今设备的复杂性需要采用多物理场方法。你不仅需要对电气行为进行建模，还必须考虑热膨胀、机械应力以及跨多种材料界面的高速信号传播。”
仿真是一系列不断增长的工具中的一个，这些工具包括预测模型、数字孪生和人工智能驱动的分析，用于在芯片制造之前评估信号完整性、电源分布、电路老化和机械应力。
但随着仿真扮演更大、更核心的角色，从单一芯片扩展到复杂且日益异构的系统，挑战在于确保抽象视图准确反映现实条件、实际工作负载和制造变化。实际上，它需要以越来越高的准确度弥合理论预测与实际性能之间的差距，同时还要应对更多的定制化和一系列复杂的相互作用，而这些并非在流程早期都就显现的。
对仿真依赖日益增强
向更复杂的仿真转变提升了设计信心，但这不仅仅是实现绝对准确性。完美固然重要，但优化同样关键，而这正是仿真开始真正发挥影响力的领域。
Ansys产品营销总监Marc Swinnen表示：“即使仿真结果在绝对意义上并非100%准确，它仍然为架构优化提供了宝贵的指引。当一种设计选择在仿真中明显优于另一种时，这有助于工程师了解哪些修改能在实际应用中带来最佳效果。”
仿真是一种非常有价值的指导工具，可以指导工程师实现最可靠、最高效、最易于制造的设计方案。这使得工程师能够权衡利弊，在制造前识别潜在故障，并优化设计，而无需进行昂贵且耗时的芯片重新流片。目标是在第一个原型进入实验室之前，尽可能实现一次就通过。之后，一切都可以通过实际测试进行验证。
Teradyne技术和营销总监Nitza Basoco表示：“只有将仿真结果与足够多的实际测试数据进行关联后，您才能信任仿真结果。这是一个迭代的过程。初始预测总是存在差距，测试结果必须不断反馈以优化模型。”
这种迭代循环在先进封装和射频应用中尤其重要，因为诸如翘曲、互连可靠性和工艺变化等因素都会对器件性能产生重大影响。
是德科技系统解决方案工程研究员Murthy Upmaka解释道：“准确建模半导体物理特性非常困难，因为大多数模型都依赖于电气特性，如IV曲线和S参数等。然而，由于行为模型固有的局限性，准确建模非线性现象仍然是一项挑战，这可能导致仿真结果与实际测量结果之间的差异。”
挑战在于缩小这一仿真差距——即确保仿真模型随着实际制造数据不断演进，从而逐步提高预测精度。这需要仿真和测试之间更紧密的集成。
“你在标称条件下进行初始仿真，如标称电压、标称工艺角等，”Basoco解释道，“但一旦开始引入诸如温度波动、工艺偏移、电压变化和不同环境压力等变化因素，就会出现偏差，这时实际测试数据就变得至关重要。”
参数覆盖
即使是最严格的物理测试也存在局限性。虽然工程师可以在各种电压、温度和频率条件下运行设备，但他们仍然受到时间、成本和可用设备的限制。这就是仿真提供的独特优势，因为它使工程师能够探索器件性能的整个参数空间。
Ansys的Swinnen表示：“无论物理测试多么全面，它都只对特定项目有效，无法涵盖所有可能的制造公差及其组合，或所有频率下的所有可能的压力、温度和负载组合。在实际测试中，测试影响器件性能的整个参数空间是不切实际的，但这对于仿真来说却是自然而然的结果。通过仿真，产品的稳健性和可靠性得到极大提升，而要通过测试实际器件来实现同样效果，则成本高昂且耗时漫长。”
能够探索整个运行条件范围，甚至包括那些可能无法进行物理测试的条件，让工程师从统计学角度理解工艺、材料和环境变化如何影响性能。这对于高频射频设计尤为重要，因为即使是布局、寄生效应或阻抗匹配的微小变化也可能现状改变实际行为。同样，先进的功率器件必须承受各种热应力和电应力场景，其中许多在实验室中难以或无法全面复制。
Advantest SI/PI工程总监Quaid Joher表示：“在对高频系统的行为进行建模和仿真时，即使是微小的变化也可能影响最终结果。高频设计不能再依赖于‘经验法则’。需要适当的建模和仿真才能预测正确的结果。”
仿真使工程师能够通过参数扫描、蒙特卡罗仿真和AI驱动的优化，绘制出完整的公差堆叠分析，从而降低风险并避免日后代价昂贵的重新设计。设计师不必仅仅依赖反复试验的原型设计，而是可以预测最坏情况，并从一开始就将稳健性融入设计中。
例如，时域反射法(TDR)仿真为GHz至THz范围设计中的阻抗不匹配提供了有价值的见解，在这个领域，如网络分析仪等物理测量设备的价格非常昂贵。
“借助仿真工具，在制造前对变化进行参数扫描可以制定完整的公差堆叠分析，为工程师提供宝贵的见解，否则这些见解将需要昂贵的硬件重新流片才能获得，这可能导致交货时间延长并错过交付时间，”Joher补充道，“同样，制造公差，如特征尺寸、位置和厚度的变化，可以预测影响良率的结果。这种方法用于优化设计，并显示由于制造特征不正确，系统可能在哪些方面出现良率损失。”
随着异构集成和先进封装技术的不断发展，对广泛参数探索的需求只会与日俱增。仿真不再只是为了预测性能。它现在还包括弹性设计，确保制造公差、工艺偏移和环境变化不会在后续生产过程上造成意外故障。
新思科技产品管理总监Keith Lanier表示：“早期探索、原型设计能力和早期技术决策对于实现这些更复杂的多芯片设计的成功至关重要。您需要在制造之前分析电源分配、热完整性和互连结构。挑战在于确保早期模型准确反映实际性能。”
仿真精度面临的关键挑战
尽管仿真的重要性日益凸显，但它并非万无一失。虽然仿真可以模拟正常条件下的电气性能，但在预测高频相互作用、材料不一致性以及工艺可变性的全面影响时，往往存在困难：
高频行为不匹配：在毫米波和太赫兹频率下，阻抗不匹配、意外的信号衰减和互调失真可能与仿真预测结果存在显著差异；
材料不一致：基板特性、互连电阻和介电特性的变化会导致偏差，而这些偏差很难精确建模；
制造工艺变化：焊盘错位、翘曲和应力引起的缺陷，可能以硅前验证中常常低估的方式改变器件性能。
仿真精度中最持久的差距之一是寄生效应、耦合模型和系统级相互作用的集成。虽然仿真为器件行为提供了理论框架，但它们往往无法捕捉PCB寄生效应、基板损耗和封装引起的失真的累积效应，而这些效应可能会显著改变实际性能。
是德科技的Upmaka表示：“高频下的损耗显著增加，因此必须精心设计阵列天线以保持增益并最大限度地降低功耗。仿真的挑战在于将PCB寄生效应、基板效应和耦合模型集成到系统级分析中。”
热建模是另一个主要限制因素。随着多芯片堆叠和超高密度集成变得越来越普遍，热耗散和机械应力会引入故障点，而这些故障点在仿真中无法总能够预见。虽然现代工具提供了基线估计，但它们往往无法完全捕捉热膨胀失配和应力累积如何影响器件寿命。
西门子EDA高级产品工程师Matt Grange表示：“3D堆叠器件中的热效应会导致不同材料层之间的应力不匹配。仅依靠单一领域的仿真无法捕捉到完整的机械影响，这需要全面的多物理场分析和实际测试才能验证。”
除了信号完整性和热问题之外，晶圆减薄、凸块共面性和底部填充应用的变化仍然难以预测。这些看似微小的偏差可能会累积，影响整体良率和长期可靠性。
Modus Test首席技术官Jack Lewis表示：“无论封装互连设计模型和检测缺陷模型多么复杂，工艺变化都会以这些模型无法理解的方式影响实际封装互连性能。这就是为什么针对所有堆叠级的封装互连节点进行大量电气测试数据至关重要，以此来训练和改进模型，以解决在纯仿真环境中不明显的机械工艺变化。”
此外，先进封装带来了更精细的互连、异构集成问题以及更多的机械和电气应力来源。即使是热膨胀系数、电气寄生参数或材料附着力的微小偏差也会不断累积，导致最终器件出现意外故障。这些差异凸显了对仿真模型进行持续校准和改进的必要性，确保它们能够随着实际制造条件的变化而发展。
西门子EDA的Ferguson表示：“当添加多个小芯片和其他材料时，制造过程中会出现翘曲、热膨胀不匹配和应力累积等问题，从而影响性能。如果封装发生翘曲，如何在测试台上进行正确的连接？是否真的能按预期那样在所有不同的小芯片之间获取信号？”
AI/ML帮助提升仿真精度
随着半导体复杂度的提升，传统的基于物理原理的仿真工具难以应对现实世界中的变化。固定模型和预定义假设通常无法捕捉到那些细微材料不一致、工艺波动和影响实际器件性能的高频效应。为了弥补这一差距，工程师越来越多地转向AI和机器学习(ML)，通过整合实际测试数据、工艺反馈回路和预测故障分析来提高仿真精度。
Advantest的Joher表示：“AI和ML正在通过自动化此前需要人工干预的优化任务来加速仿真工作流程。这些工具可以识别材料特性、工艺变化和测试结果之间的相关性，从而可以动态优化模型。”
AI最大的优势之一在于它能够根据经验反馈不断优化模型。与依赖静态仿真和最佳猜测公差不同，AI增强的工具可以动态地将材料不一致性、温度波动和应力引起的故障纳入仿真工作流程。这使工程师能够实时调整仿真，减少理论预测与实际芯片行为之间的差异。
新思科技的Lanier表示：“考虑到这些芯片的尺寸、互连数量以及纯粹的设计复杂性的增加，AI解决方案在管理优化方面变得必不可少。它不再只是孤立地对电源分配或信号完整性等单个因素进行建模——您需要全面考虑整个系统，并快速迭代以缩小预测性能和实际性能之间的差距。”
尽管有这些优势，但AI驱动的仿真仍然容易过度拟合理想条件下的模型。在半导体设计中，当仿真过于依赖预定义的假设而未能考虑现实世界的变化时，就会发生过度拟合。这会导致过于乐观的性能预测，尤其是在高频设计中，寄生效应、热梯度和机械应力可能会导致硅前验证中未反映的故障。
Modus Test的Lewis表示：“即使使用AI增强的非电气封装检测模型，也需记住，该模型仍然只是一个预测，在导致实际良率损失之前只有最少的反馈。AI带来的能力是能够将数百万个高精度电气互连测试结果与模型仿真和检测结果进行比较，以前所未有的方式提高封装仿真和缺陷检测模型的准确性。”
此外，许多传统的仿真模型都假设材料具有静态特性、理想的电接触和均匀的热分布，但这些假设在异质集成和先进封装中并不总是成立。例如，在3D堆叠器件中，芯片层和互连层之间的热膨胀系数变化可能会引起机械应力，从而以不可预测的方式改变电气性能——这种效应可能无法在硅前模型中完全捕捉到。
“我们正在进入更复杂和更高速度的领域，每个方面都很重要。设计师必须关注每一个细节，”Joher补充道，“随着计算能力的快速提升，真正的3D精度建模将成为大多数（如果不是全部）组件的‘必需品’。”
AI驱动的仿真通过基于实际数据不断更新热、电和机械参数，来帮助弥合这一差距，确保预测模型反映实际的制造公差。
“3D堆叠器件中的热效应会导致不同材料层之间的应力不匹配，”西门子的Grange补充道，“仅依靠单一领域的仿真可以提供基线估计，但它们往往无法捕捉到完整的机械影响。AI驱动的多物理场分析有助于弥补这一差距，通过实际工艺数据优化模型。”
除了基于物理的预测之外，AI还可以改进缺陷检测和性能漂移分析，而这些是传统仿真通常无法实现的领域。虽然传统的仿真方法在受控条件下预测理想的性能，但AI可以分析来自大量测试的大型数据集，以识别早期可靠性风险和工艺偏差。这在先进封装和异构集成中尤为重要，因为故障可能是逐渐出现的，而不是立即显现为缺陷。
Teradyne的Basoco表示：“AI正在帮助我们从被动模型转变为预测模型。我们现在可以在海量数据集中识别漂移和异常，避免它们转化为实际故障。这是提高良率和减少代价高昂的重新流片的重要一步。”
仿真和验证的未来
展望未来，人工智能和机器学习将在弥合仿真和实际测试数据之间的差距方面发挥越来越重要的作用。将实时测量数据集成到仿真工作流程中的能力，将提高预测精度，减少对高昂的制造迭代的依赖。
Joher表示：“将AI融入半导体仿真，不仅仅是为了提高精度，更是为了实现实时适应性。通过整合实时工艺数据，由AI驱动的模型可以随着制造条件的变化而发展，确保持续改进。”
这种实时反馈还可以实现可预测性。是德科技的Upmaka表示：“AI 驱动的仿真正在改变游戏规则，使预测建模更具动态性。基于实时反馈调整参数的能力意味着工程师能够在工艺变化导致良率降低之前就加以解决。”
最终，缩小仿真差距的关键在于采用一种混合方法，即利用AI增强预测模型，同时保持与经验验证的紧密联系。通过整合仿真、测试和AI驱动的工艺改进，半导体工程师将能够开发出更具弹性的设计，优化可制造性，并显著缩短下一代器件的上市时间。未来的方向不是在仿真和测试之间做出选择，而是让它们比以往任何时候都更有效地协同工作。
结语
半导体行业正在迅速朝着数据驱动的设计和测试模式转变，在这种模式下，仿真不再是静态的近似，而是不断发展的预测引擎。AI、实时测量和生产分析正在模糊仿真与测试之间的界限，使工程师能够更快、更自信地验证设计。
Teradyne公司的Basoco补充道：“归根结底，没有完美的仿真。关键是缩小差距，确保测试数据随着时间的推移不断优化我们的模型，以便下一代设计从一开始就变得更智能、更高效、更易于制造。”
随着人工智能、机器学习和实时工艺反馈的持续融合，半导体行业正迈向设计验证的新时代，其中仿真和物理测试之间的界限变得模糊。其结果将是更具预测性、适应性和可靠性的半导体开发周期。
END
