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培风图南:手握3D TCAD利器,剑指虚拟晶圆厂

时间:2024-04-17 阅读:
TCAD是建立在半导体物理基础之上的数值仿真工具,是连接物理世界和数字世界的桥梁,也是EDA的核心底层。

作为EDA领域的重要分支和核心底层,TCAD(Technology Computer Aided Design,半导体工艺和器件仿真软件)在器件设计和工艺开发环节中发挥着重要作用。如果说EDA是集成电路“皇冠上的明珠”,那么TCAD则是最闪亮的一颗。

长久以来,少数海外企业把持TCAD市场,围绕技术、人才、资金、生态构筑起森严的行业壁垒,为后入者带来重重挑战,TCAD也成为国内EDA产业链亟待突破的卡脖子环节。

十余年来,苏州培风图南半导体有限公司(以下简称“培风图南”)坚持自主研发和创新投入,突破重重挑战,始终围绕TCAD“城墙口”持续冲锋。2022年,3D器件仿真工具实现交付,2024年,3D FinFET工艺仿真工具首次送样国内某头部芯片制造商,培风图南成为国内唯一实现TCAD商用的厂商。

手握3D TCAD“利器”,培风图南剑指下一目标——基于“数字孪生”的虚拟晶圆厂,标志着国内EDA企业自主创新进入新阶段,在叩开百亿规模市场大门的同时,其在国内产业链中的核心价值也愈发凸显。

TCAD——晶圆制造EDA的核心底层

TCAD是建立在半导体物理基础之上的数值仿真工具,是连接物理世界和数字世界的桥梁,也是EDA的核心底层。

与众多用于数字和模拟电路设计,服务于Fabless的EDA工具不同,TCAD主要应用于集成电路制造业,主要客户是Fab厂。后摩尔时代,随着制程向个位数节点前演进,新制程研发成本激增,TCAD在帮助Fab厂缩短开发周期、降低成本、提升良率方面扮演的角色愈发重要。通过减少实验次数和缩短开发时间能够将生产成本降低40%,这也使得TCAD在半导体产业价值链中的极高地位和价值愈发凸显。

经过多年发展,集成电路的工艺不断向前演进,为TCAD带来新的需求。近年来进入到14nm以下的先进制程后,不仅从2D到3D TCAD技术的升级成为必须,Path-Finding、DTCO等新的应用场景也推动了TCAD拓展了大量新功能。当下,晶圆厂全面推进纳米尺度工艺研发,又对TCAD软件厂商提出了新的挑战:用仿真模型覆盖微加工各个工艺步骤,构造“虚拟晶圆厂”(Virtual Fab),在工艺研发环节演进到基于数字孪生和仿真的方法学。在结合了物理信息机器学习后(PIML)后,以TCAD为核心的虚拟晶圆厂可以大幅提高对预测能力。未来,晶圆厂的生产将进入到全面感知、实时预测、全程精密控制的工业4.0时代,与之相应的虚拟晶圆厂软件全球市场规模也将实现从数十亿元到百亿元的飞跃,发展前景和空间广阔。

从市场格局来看,TCAD市场主要被海外大厂把持。新思科技,Silvaco等极少数厂商联手占据了九成以上的市场份额,几乎形成了赢者通吃之势,也树立起极高的行业壁垒和封闭的应用生态。

过去几年,受政策和资本的推动,国内EDA产业快速发展,初创企业不断涌现,2021年—2025年,中国EDA行业市场年均增长率达到16%。但根据集微咨询(JW Insights)最新市场调研数据显示,在国内近百家的EDA公司中,约有40%主攻验证/优化环节的工具,而发力攻坚制造环节的EDA工具只有11.7%,作为制造环节EDA工具这一细分领域的TCAD而言,国内更是鲜有企业涉足。

此外,随着近年来美国及盟友对于中国集成电路产业的加大打压力度,涉及先进制程的制造类EDA日益成为出口管制的焦点。因此,以TCAD为代表的制造类EDA工具成为国内EDA行业亟需突破的关键环节。

险山峻岭,后来者的重重挑战

如前文所述,TCAD领域长期被少数海外企业垄断,这些企业通过长期的并购整合,持续高强度研发,形成的坚固的生态壁垒,为后进入者带来了十足的挑战。

首先,TCAD具有交叉学科属性。一名优秀的仿真工程师往往需要具备多学科背景和跨学科学习能力。不仅要掌握设计制造全流程的经验,熟悉节点演进,还要充分考虑到其间涉及的所有物理效应。翻阅TCAD软件的手册,数千页的篇幅徜徉在量子力学、半导体物理、等离子体、力学、材料学、光学、化学理论的密林中,每一片树叶都有可能是解决工程问题的关键。

美国企业之所以能够在EDA领域成为先驱并持续保持领先地位,与80年代因放弃超级对撞机项目导致大量物理学家等一批最聪明且有产业抱负的人才进入这一领域有很大关系。

因此,TCAD对于从业者的半导体工艺理解和掌握,器件和电路的理论水平以及实践经验和分析能力,编程能力提出了极高挑战,而国内目前在TCAD领域经验丰富的工程师人才非常稀缺,也对研发团队搭建提出了极高的要求。

其次,由于海外巨头在TCAD领域多年垄断,造成该领域极其封闭的生态,从而导致后进入者往往需要支付极高的学习成本。

以TCAD领域行业标杆客户领域CMOS为例,由于新思的一家独大,导致外界对于先进CMOS的需求,采用何种模型和算法完全无从得知,即便是行业“二哥”的Silvaco在该领域追赶了十年仍然无法撼动前者在该领域的统治地位。

特别对于TCAD这种小工具而言,并非像大工具那样通过砸钱铺人就能够在短时间突破。所有的后进入者几乎都要经历从零起步,摸着石头过河,不断探索、试错、积累模型、算法,可以说需要踩过无数的坑。

第三,EDA企业需要保持高强度的研发投入。国内EDA基础较薄,多数企业资金链长期处于紧张状态,制约了工具和流程优化迭代的速度,急需进一步拓宽融资渠道,改善资本环境,为EDA创新发展提供坚实的资金保障。

第四,代工厂认证门槛。对于Foundry而言,并没有更多的精力及资源同时和多个EDA厂商对接,尤其是在新工艺、新制程攻坚中。因此,TCAD厂商普遍遭遇“你能够对标谁?”的灵魂发问,否则无法获得客户对于其技术能力的认同。

培风图南,国产TCAD率先突围

正是由于较高的行业壁垒,多年来,在TCAD领域,国内鲜有企业能够站上C位。即便是一些具备正向研发能力、有实力的EDA企业也难以在该领域真正立足。

这样的局面,随着2021年培风图南的出现得到改变。

培风图南旗下拥有苏州珂晶达电子有限公司和墨研计算科学(南京)有限公司两家全资子公司,分别于2011年和2018年成立。产品覆盖OPC、TCAD、抗辐射和Fab Service等领域。

培风图南创始团队深耕行业十余年,是国内最早钻研制造类EDA产业化的先驱者,也是国内最早以自主知识产权开发为基础的EDA公司之一,拥有业内制造类EDA最豪华的科学家团队,培风图南核心研发人员多来自一线大厂,是国内唯一制造EDA全品类工具覆盖的厂商。

在TCAD产品方面,自2007年软件研发启动至今,经过近20年发展,培风图南现已建立完整的TCAD工具,覆盖面向不同客户的各类工艺和器件,可以做到多物理场、多时间维度、多空间维度的全面物理仿真,也是国内唯一实现TCAD商业应用的厂商。

目前,培风图南完整的TCAD产品矩阵包括了器件仿真工具Mozz Device,工艺仿真器Mozz Process,多物理场仿真器GK-Photonics;服务于集成应用环境的Mozz Workbench,工艺和器件仿真的2D/3D图形化界面工具Mozz Visual,架构编辑器Structure Editor;联通设计方向的SPICE快速建模工具Mozz Extract,寄生参数提取工具Mozz RCEx和三维TCAD模型构建工具Gds2Mesh等,通过商用落地和客户反馈,产品性能均可和海外领先的EDA同类型竞品对标。

凭借在EDA行业的深厚积累,培风图南率先实现TCAD领域国内公司的突围。据集微网了解,在原创性方面,培风图南的TCAD产品具有100%自主知识产权。如今,培风图南已经能够实现同海外龙头的仿真工具全面对标,部分应用场景下较竞品获得10倍的性能加速和内存降低。同时,凭借在碳化硅材料应用领域的丰富经验,同等精度下速度比竞品快10倍,有望实现弯道超车。

作为国内唯一制造EDA全品类工具覆盖的厂商,在国内制造EDA领域,培风图南可谓一骑绝尘,与国内的追赶者已显著拉开身位,同时向海外龙头发起强有力的冲击。

EDA企业方兴未艾,也带来了激烈的竞争。往往只有细分领域龙头方能实现突围,获得资本青睐。凭借深厚的技术底蕴和创新能力,在TCAD领域和国内半导体产业链领域,培风图南所具有的产业战略意义和核心价值凸显。这也是近年来培风图南持续收获行业和资本市场认可的原因,截至目前,培风图南已进行数轮融资,投资方包括华为哈勃、元禾重元等。

3D TCAD利器在手,剑指虚拟晶圆厂

2024年,培风图南将迎来属于自己的“奇点”时刻——全新一代的3D器件仿真工具以及3D FinFET工艺仿真工具的首次送样国内某头部芯片制造商。

随着先进制程工艺节点的持续演进,晶体管尺寸不断缩小,FinFET、Chiplet等3D异构集成日益普及。同时,器件的小型化也导致了新材料和体系结构的引入,从而使晶体管结构变得更为复杂。在进行过程和物理级别进行计算机仿真时,需要与之对应的3D工艺/器件仿真器作为验证工具来验证仿真结果。3D TCAD技术与现有的CMOS制造工艺高度兼容,从而成为IC行业的理想选择。

3D物理仿真工具面向的集成电路应用场景非常广泛,涵盖了逻辑、存储、射频、功率、光电、激光以及各类传感器等等,每个应用领域都需要引入不同的物理场、物理模型和求解算法需求,而且即便是某一工艺节点上的不同制造环节也有复杂多维的加工工艺,注入、氧化、退火等步骤背后,有完全不同的物理机制和控制方程,求解算法也不同。即便是诸如Silvaco这样的海外头部TCAD工具供应商,在从2D到3D物理仿真的技术迁移过程中,也偏向于针对功率器件进行研发,难以以点带面。因此,实现3D器件仿真工具全链条突破十分具有挑战,也需要经验丰富、具有多学科基础的复合型人才工程师团队多年磨合。

相较于传统TACD,3D TCAD可以扩展到对于完整设备、多个设备的3D模拟仿真,借助于3D TCAD,真实世界的物理模型能够和数字世界中的虚拟模型一一对应(即数字孪生),对于晶圆制造而言,则可以实现从单步工艺到全流程的数字化重塑,形成基于数字孪生工艺研发的“虚拟晶圆厂”。

通过虚拟晶圆厂,研发人员可以在数字环境中模拟整个器件制造过程,实时感知和控制生产中每个环节,进一步缩小先进制程工艺平台开发的迭代周期和成本,优化工艺参数,提高器件性能和产量,为实现更加灵活高效的制造奠定了基础,“虚拟晶圆厂”也被视为TCAD下一阶段发展的重要方向。

行业看来,虚拟晶圆厂或将带来新的制造模式和商业模式的显著变革,也将催生新的市场需求,随着先进制程的不断演进,虚拟晶圆厂在成本、良率上所带来的价值将愈发凸显,除了未来市场将达百亿规模外,也将撬动晶圆代工业千亿规模的产能提升。而掌握3D TCAD技术以及多物理场、多时间维度、多空间维度的全面物理仿真能力,以及具有丰富经验的优秀工程师团队成为构建虚拟晶圆厂的必要条件。

培风图南作为目前国内唯一制造EDA全品类工具覆盖的厂商,以及唯一实现TCAD商用的厂商,具备了从米级到纳米级覆盖流体、力学、热、光、电磁、电子、化学、等离子体等领域的多物理场仿真能力,完整的TCAD产品矩阵,在率先掌握3D TCAD技术后,更成为目前国内唯一有能力构建虚拟晶圆厂的TCAD供应商,也为未来的发展打开了空间。

中国EDA行业发展潜力巨大,培风图南在国内TCAD产业链中的稀缺性以及在虚拟晶圆厂等TCAD技术创新发展方向的引领,有助于进一步巩固其在生产制造EDA这一细分领域的先发优势,拓展新的市场成长空间。同时,也需要政策、资本的更多支持以及更多产业链的协同,推动本土EDA企业实现更好地发展。

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