5纳米芯片竞争背后，被忽视的关键软件

工艺发展和应用催生TCAD市场增长与格局变化。

文/Rene

台积电、苹果、三星、vivo共同推进芯片工业快速进入5纳米制程时代，光刻机、EDA软件等芯片领域话题尽成大众话题。

有熟悉情况的人士向《智物》介绍，从硬件方面来讲，光刻机等硬件设备的技术挑战已经不大，现在某家大众熟知的公司，一直有布局，但是，背后的软件短时间内还难以突破。

EDA（Electronic design automation，电子设计自动化）市场规模虽不足百亿美元，但它主导、撬动了5000亿美元半导体产业。一度被大家说是半导体领域“卡脖子”的软件技术，EDA的重要性在近两年广为熟知。

其中，EDA工具中的技术分支——用于半导体工艺和器件仿真的TCAD（Technology Computer Aided Design）工具，若非从业者，熟知它的人则少之又少。

EDA+TCAD能完整覆盖芯片设计、制造与封装全周期的仿真，可大幅降低反复流片的成本。其中，TCAD能有效降低40%的成本。

芯片行业已成市场大热，热潮之下，TCAD设计软件被忽略了

当年中芯国际创业的参与者，《芯事》一书的作者谢志峰，曾撰文《TCAD：集成电路EDA核心卡脖子技术》，具体介绍和梳理TCAD技术发展，点出它的重要性与市场变化。

硅谷的新思科技与Silvaco是传统TCAD领域的主要玩家，前者垄断了八成以上的市场，国内包括华大九天、概伦电子等有名的EDA厂商则尚未涉足TCAD领域，目前仅鸿之微一家，它主要提供材料与工艺设计和仿真，有着浓重的材料科学、物理学底色，它的创始人曹荣根毕业于复旦大学材料物理与化学，从事集成电路失效分析近15年。

《智物》了解到，随着先进制程技术边界向5nm甚至3nm推进，先进制程工艺的广泛应用成为趋势，TCAD行业受带动将进入关键发展时期，市场需求增长催生量子元微等初创公司。国内越来越多的半导体芯片设计、制造厂商在接触TCAD或者是尚处在雏型阶段的新型底层设计方法，材料、物理学毕业生也不再只有回校当老师这一条路。

01 晶体管越来越小，传统TCAD不再适用

TCAD是EDA工具中的核心底层技术之一，专门为用户在先进制程上的精准仿真设计提供支持，可以帮助芯片设计公司减少试验次数、缩短开发时间，降低成本。

出于对先进制程成本等因素的考虑，此前用TCAD设计芯片的公司不多，如在消费电子领域主要是苹果、华为、高通几家巨头，因此相比EDA中通用的芯片设计模块，市场对TCAD工具的了解和需求更少。

但晶体管变小和产业更迭的速度超出预料，四年前科技巨头IBM才刚提出7nm概念，今天搭载台积电5nm工艺芯片的苹果手机已经发布，采用同款芯片的平板和笔记本电脑则已经在来的路上。

相比上一代7nm，5nm工艺下晶体管更小，同大小芯片上的晶体管数目增加40%，同功耗下运行速度可以提升15%。

iPhone 12发布让手机进入5纳米时代

BBC News报道，5nm工艺下的晶体管通断开关只有25个原子大小。以自然界中最小的原子氢原子直径（0.1nm）来比对，5nm工艺已经进入了几十个原子的尺度中，颇有拿原子“绣花”的意味。

相较于以往，在更微小的原子尺度上（14nm-3nm）设计芯片，本可以忽视的“细枝末节”均需纳入建模过程中去考虑，尤其是多种量子效应对器件性能的影响，如今逐渐被放大且无法被忽视，传统TCAD工具面临挑战。

鸿之微科技能源材料事业部总经理李剑对《智物》介绍，“传统TCAD是基于漂移扩散（DD，Drift-Diffusion）模型，利用大量工艺参数、器件参数等做拟合，没有考虑量子效应，方法本身是不完备的。”

因此在先进制程发展推动下，TCAD衍生出一个分支——原子级TCAD（Atomistic TCAD），主要用于20nm及以下制程的器件和工艺设计。原子级TCAD有着质的变化，它的模型设计方法完全不同，尤其是不需要几百页纸张的参数去做拟合，这一点十分吸引人。

02 并购、整合，产业初具规模

2016年是原子级TCAD商用发展开始加速的一年，与7nm工艺的商用或许有关，当时TCAD领域出现了多起大的并购，由新思科技和Silvaco发起。而此前，原子级TCAD功能模块还“散落”在全球各地。

作为全球三大EDA厂商之一，新思科技一直持续跟进TCAD的技术布局，并在2016年5月先后收购了英国的Simpleware和Gold Standard Simulations（GSS）两家公司。后来2017年，为了覆盖到3nm的技术路线，新思又收购了丹麦的Quantumwise A/S公司。

与新思科技同时，Silvaco为了加强自己在原子级TCAD方面的技术能力，在2016年收购了由维也纳工业大学孵化的GTS（Global TCAD Solutions），后者开发的纳米设备模拟器（NDS）可以在14nm/10nm和7nm/5nm制程上进行物理层面的仿真，可弥补Silvaco的技术缺失。后来在2018年，它又进一步与普渡大学达成合作，明确表示将会把用于学术研究的NEMO工具套件商业化。

鸿之微是国内唯一在TCAD领域有布局的公司

国内目前唯一在TCAD商业领域有所布局的鸿之微，它主攻原子级TCAD，用新的计算方法将多种量子效应纳入材料与工艺的设计和仿真过程，在计算机上就可以还原器件真实的物理情况。

相比较来看，国外TCAD产业在商用程度和规模上相对成熟，但在原子级TCAD商用和技术的积累上，鸿之微也并不落后，它正在与国内顶尖的晶圆制造和存储芯片等厂商合作。

在鸿之微首席科学家郭鸿院士（NEGF-DFT技术的开创者）的指导下，鸿之微的产品（ACAD）核心技术路径已经实现了全原子尺度的技术覆盖，且计算体系已经可以达到上万个原子，突破原有微观设计本身的商用局限。

与传统TCAD相比，原子级TCAD技术具有更多想象空间，理论上设计人员可以通过它来从微观原子去建构任何材料和器件，即按照需求自由设计材料和器件，李剑认为它有望发展到与现有EDA产业比肩的规模。

03 商用进入关键时期

今年5月份，Marketstudy发布报告，指出今年TCAD市场将有显著变化，增长幅度会加大。

5nm的快速商用或是诱因之一，台积电在扩大工厂产能，三星努力追赶，国内中芯国际也蓄势待发，作为先进制程竞赛中必备的“武器”，原子级TCAD工具将会愈加受到重视。

另一方面，中芯国际在IPO招股书中也曾提到，14nm及以下的先进工艺已经开始应用到5G 、智能驾驶、高性能计算等新技术领域，未来应用需求增长将促使先进工艺的市场上升，成为集成电路晶圆代工市场新的增长点。

智能手机处理器芯片是先进制程使用大户，按照IDC的预测，2020年全球智能手机出货量将达到12亿部。汽车领域，其电子零部件成本占比也已经从1950年的1%增长到如今最高近50%。这都将是极其可观的市场。

当然从计算材料学的角度去看，未来不仅仅是半导体领域，该材料建模和设计理念将适用于电池、金属等各个领域和场景中的先进制造需求，也会为行业带来质的变化。如马斯克、宁德时代对锂电池的创新设计，都与材料设计密切相关。

来源：智物科技评论