以策略性方法進行寄生效應分析與除錯，有效降低類比設計成本

在半導體設計中，寄生效應是由互連線路所產生的非預期電效應與交互作用。寄生效應會以複雜的方式改變電路行為，其影響也從過去的次要考量演變為首要效應。針對類比互連寄生效應的分析與除錯，往往仰賴不同廠商與單一功能工具的拼湊組合，卻無法以明確的策略應對日益複雜的多重物理量需求。

在半導體時代初期，類比積體電路 (IC) 或晶片便已問世，而類比工程師也逐漸建立起一套有別於規模更大、外觀更吸睛的數位晶片之設計方法論與生態系。然而，近年來受到多項市場趨勢驅動，如無線連線技術的廣泛應用、電動車、高速數位資料中心連接技術，以及多晶粒 3D-IC 的發展，類比設計的需求出現顯著成長。這使得領先的設計公司紛紛投入研發更高效率與更高性能的類比設計流程，以維持市場競爭力並把握這波商機。

類比設計的趨勢與挑戰

不同於數位 IC 領域，類比設計人員多半不會追求最新、最先進的製程技術，因為這些技術主要是針對大規模、高密度的數位設計所優化的。事實上，類比設計人員更習慣使用成熟、較舊的製程技術，因為這些製程能在相對較小且高速的電路中，提供更佳的訊號品質掌控。然而，類比設計需求的激增也帶來了一連串全新的挑戰。

• 訊號傳輸速度持續提升，已達到即便是像串列器/解串器 (SerDes) 這類名義上屬於數位通訊通道的設計，也必須進行更精確且更全面的電磁分析的程度。
• 系統單晶片 (SoC) 中的類比部分被迫與主要為數位的其他晶片區塊採用相同的先進製程，因此也必須面對這些先進節點所帶來的複雜矽效應，進而增加設計的挑戰。
• 隨著客戶對功能更強大解決方案的需求提升，類比設計的規模也迅速擴大。這對傳統的類比設計工具造成了負擔，尤其是在記憶體、相位陣列雷達、3D-IC 中介層與影像感應器等電路的設計上表現得更加明顯。

這些技術層面的挑戰最終都匯聚成最大的一項難題：設計人員的生產力。類比晶片的交付時程與設計成本，很大程度上取決於所投入的工程人時數。類比工程師的大部分時間都花在電路分析與除錯上。有報告指出，電路分析與除錯可能佔據整體專案時間的 35% 至 50%，在某些情況下甚至更多。除錯過程通常難以預測，且相當耗時，因為這涉及多次模擬執行，並需搭配各種萃取與分析工具來深入了解設計中發生的問題。特別是在先進製程中，佈局寄生效應已成為主要影響因素，有時甚至會主導主動元件 (如電晶體) 的行為表現。互連效應與寄生效應已成為影響電路行為與整體設計成本的核心關鍵。

造成其影響日益顯著的原因，來自於寄生電阻與電容 (RC) 數值的持續增大，以及寄生元件數量的持續攀升。這導致模擬時間延長，並產生複雜且非線性的交互作用，往往違反直覺，讓設計人員難以理解與除錯。

因此，成功的類比設計團隊理應具備一套完善且深思熟慮的策略，以因應由佈局互連所引發的各種多重物理量效應。這套策略不僅要能應對當前的挑戰，也必須為未來更加複雜的需求做好準備，例如可能涉及碳化矽 (SiC) 等新材料，或是像光子學這類全新的物理現象。

如今，許多設計公司在進行互連分析時採用的是零散的方法，倚賴來自不同廠商的工具，反映出這些點狀解決方案是隨著時間推移逐步補強設計流程中的漏洞而堆疊起來的。我們認為現在是時候重新審視整體架構，將互連多重物理量領域視為一個獨立的專業範疇，並採用與選擇佈局平台或模擬軟體相同的策略性方法來進行規劃與管理。

互連多物理的策略性解決方案

常言道，無法測量的，就無法改善。製程設計套件 (PDK) 中用於主動元件的電性模型，是透過專用的元件特性分析工具建立，並封裝成元件庫以便重複使用。但這套方式無法套用在互連寄生效應上：每一次設計迭代都必須從頭開始重新萃取每個佈局，如下圖所示。這也正是類比設計工程師必須投入大量時間與心力進行互連分析的原因。Ansys 意識到互連分析是獨立且關鍵的設計課題，並為設計團隊提供一套整合性的策略解決方案。

Ansys 提供多項經驗證且通過晶圓廠認證的多重物理量解決方案，涵蓋半導體中所有互連效應，協助設計人員深入掌握設計全貌，並針對寄生效應進行根本原因分析。這種整合式的多重物理量方法，能確保運算核心具備高準確度驗證，帶來更優異的分析結果與高效率的除錯流程，進而節省寶貴時間。Ansys 在多尺度解決方案方面擁有長期成功經驗，這也使得其晶片級多重物理量工具能順利延伸應用至封裝、PCB、3D-IC 以及最終產品層級。

Ansys 解決方案所涵蓋的互連多重物理量，包含以下所有領域，全面回應類比與混合訊號設計人員所關注的設計需求與挑戰：

• RC 寄生：具備高精度與高容量的電阻與電容寄生效應分析，能在數分鐘內找出根本原因，大幅縮短除錯時間，特別適用於最上層階層的分析。
• 高頻電磁：在任何高速設計中，如無線射頻 (RF)、毫米波、5G、Wi-Fi、SerDes、實體層互連 (PHY) 以及類比/數位轉換器 (ADC/DAC)，建構導線間所有耦合場的模型都是不可或缺的關鍵。高速互連中的特殊應用包括電感元件與傳輸線，這些元件需搭配專屬的設計與分析功能來處理。
• 熱能：經過多年驗證的整合式熱分析引擎，結合 AI 驅動的網格技術與業界領先的電壓下降分析，可針對半導體元件建立逐層的溫度分布圖，涵蓋區域性的焦耳自我發熱、暫態熱效應、系統級冷卻與環境熱源等影響因素。
• 熱機：機械應力與翹曲現象是由於溫度梯度與材料不匹配所引起的結果。這些機械問題不僅會影響產品可靠度，還可能導致因應力引發的電性變化。
• 電壓降與電遷移 (EM/IR)：電壓降分析工具被晶圓廠視為設計簽核的必要項目，能夠針對供電線與類比訊號線進行靜態與動態功率損耗的識別與評估。此外，電遷移分析也是確保產品長期可靠性不可或缺的關鍵項目。
• 功率元件分析 (R_DS-ON)：在設計階段，必須以最高精度建構高功率元件與開關中的寄生元件模型，避免元件產生功率損耗與過熱問題。
• 光子學：隨著共同封裝光學技術在高速資料傳輸領域日益普及，許多設計團隊開始接觸到與光學電子相關的全新物理現象──其中包括熱穩定控制與機械應力最小化等設計挑戰。
• 訊號完整性：3D-IC 中的中介層互連與晶粒對晶粒的訊號傳輸路徑 (例如高頻寬記憶體 HBM 介面)，需要專業的訊號完整性分析，以精確建構整個通訊通道的行為模型。
• 靜電放電 (ESD)：用來防止因電性壓力過大而導致損壞的保護電路，是每顆晶片上不可或缺的類比元件。隨著設計規模日益擴大，且業界逐漸採用多晶粒架構，傳統僅在最終簽核階段進行分析的做法，已成為設計流程中的瓶頸。全新的方法論可在設計流程的前期大幅加快 ESD 分析速度。
• 基板雜訊：對於敏感的類比設計而言，雜訊注入矽基板是極為關鍵的課題，必須全面建構雜訊源與其傳播機制的物理模型。
• 天線設計：無線通訊與雷達系統中的高效率波束成形，仰賴對自由空間中訊號傳播與天線周圍物體交互作用的高準確度建模。

寄生互連效應對電路行為有著極大影響，且其特性越來越受到多物理驅動，彼此交錯相依。以零碎方式應對這些挑戰，會降低工程效率、提高設計成本，並限制整體設計的最佳化空間。互連分析市場應以與其他關鍵設計領域相同的策略性思維來看待，如此不僅能提高當前效率，更能為日後隨技術演進而來的新需求預作準備，打造具前瞻性的設計流程。