EDA（Electronics Design Automation）是电子设计自动化的缩写，EDA是集成电路领域内至关主要的存在。
如果没有EAD软件，环球所有的芯片设计公司都得停摆，代工厂在进行工艺研发与优化时也将无工具可用。中美贸易战中“复兴事宜”、“三大EDA软件供应商断供事宜”，无疑再次验证了EDA在集成电路领域的核心地位。
在全体EDA软件中，TCAD在器件设计和工艺开拓环节中发挥着至关主要的浸染极为主要，是集成电路设计和制造中不可短缺的主要组成部分，是EDA软件系统中的核心底层。
TCAD（Technology Computer Aided Design）全称是半导体工艺和器件仿真软件。
TCAD是建立在半导体物理根本之上的数值仿真工具，它可以对不同工艺条件进行仿真，取代或部分取代昂贵、费时的工艺实验；也可以对不同器件构造进行设计和优化，得到空想的特性；还可以对电路性能及电毛病等进行仿照。
TCAD可以通过减少实验次数和缩短研发韶光，将生产本钱降落40%。目前，随着集成电路前辈制造工艺的发展，TCAD软件也与集成电路电路制造工艺伴天生长，逐渐演化为传统TCAD和Atomistic TCAD。个中传统TCAD即为目前在20nm上基于DD（Drift-Diffusion，漂移扩散）模型的TCAD软件及其干系技能，Atomistic TCAD为从原子尺度进行仿真，以量子力学和量子输运为基石的新型面向集成电路前辈制造工艺（3-14nm等）的全新TCAD软件。
集成电路TCAD整体事情流程（传统TCAD）
传统TCAD按照其功能紧张分为：工艺仿真器（process simulator）、器件仿真器（device simulator）以及紧凑模型（compact model）等。
目前环球TCAD（传统TCAD）仿真工具紧张被两家美国公司Synopsys和Silvaco垄断，两者市场份额总和超过90%。
半导体行业发展的痛点与传统TCAD面临的困境
随着集成电路技能的发展，其前辈制造技能逐渐逼近3-5nm技能节点，新材料、新工艺、新器件不断涌入到实际的设计、制造等环节。
为理解决集成电路面向前辈制造领域面临的困难和寻衅，业界和学界对付未来集成电路的长期演进有三种方案，即More Moore,More than Moore以及Beyond CMOS。本色上这三种技能方案便是新材料、新工艺、新器件的技能的协同。
新的技能对集成电路所涉及的工艺、材料、器件构造都形成了巨大的寻衅。为理解决这些寻衅，须要采取最为前辈的TCAD技能重新材料、新器件、新工艺等角度进行材料设计、器件设计、工艺设计为集成电路设计和制造供应支持，降落设计和研发本钱，缩短研发和设计韶光，加速产品上市节奏。
比较于旧的工艺节点，3-14纳米节点器件具有完备不同的器件构造和物理效应。传统的TCAD软件已经面临着巨大的寻衅，将无法承担3-14纳米电子器件的设计问题。其紧张困难来自于：
1. 当器件到达深纳米尺度乃至原子尺度时，量子效应将起主要浸染，而传统的模型没有完备地包含量子效应。集成电路中各种短沟道效应的涌现即为最具代表性的表现。同时随着集成电路特色尺寸的减小，由于量子效应的存在，单个器件的泄电也变得难以调控。
前辈集成电路制造中量子效应不断增强，须要完备的考虑量子效应
2. 履历和经典的TCAD设计方法和软件依赖于大量的实验参数，然而当器件达到纳米尺度后，通过实验手段得到可靠的参数变得越来越困难和费时费力。随着器件尺寸的缩小，微不雅观的材料身分、器件构造以及工艺的差异，将会对器件的性子带来显著影响，而传统的模型框架无法准确描述这些细节的影响。
3. 诸多新型电子器件和电子材料的不断问世，完备超出了传统TCAD方法的运用范围。并且，这些新型电子器件已经在FinFET 、MRAM等领域有巨大运用前景。在传统方法面临诸多困难的情形下，必须发展新的打算方法。
新材料和新器件构造的呈现已经超越了传统硅基TCAD的能力范畴
半集成电路行业正在寻求办理方案：Atomistic TCAD
Atomistic TCAD软件该当具备材料建模、材料设计、材料仿照、器件建模、器件仿照等多种功能，同时要完备地考虑量子输运等多种量子效应和其他的物理机制。
Atomistic TCAD是目前环球最前辈和最准确的从原子尺度进行仿真，用来设计原子尺度电子器件的TCAD工具。
与传统的工艺建模技能比较，Atomistic TCAD是原子级的打算机赞助设计软件，Atomistic TCAD通过对纳米级半导体电子器件进行建模和仿真，可以准确地得到过程技能参数，而无需进行大量实验丈量。它可以有效地缓解纳米级半导体行业设计与制造中常见的难题，并有助于半导系统编制造商加快半导体工艺的开拓，提高良率。
此外，Atomistic TCAD可以扩展到对任何新型材料进行仿真，并具有广泛的行业运用。
传统TCAD与Atomistic TCAD模型的比拟
（图片来源：鸿之微科技 王音博士）
Atomistic TCAD行业内办理方案和参与者与商业化布局
环球范围内，Atomistic TCAD软件商业化公司紧张有三家，分别是国外的Synopsys、Silvaco和中国的鸿之微科技（上海）株式会社（HZWTECH）。
目前其主流技能路线紧张分为两类：
（1）NEGF-DFT技能路线；（2）NEGF-TB技能路线。
1) NEGF-DFT和NEGF-TB技能简介 NEGF-DFT技能由加拿大皇家科学院院士、麦吉尔大学James讲座教授郭鸿教授（鸿之微科技首席科学家）首先提出（详情请查阅：Taylor J, Guo H, Wang J. Ab initio modeling of quantum transport properties of molecular electronic devices[J]. Physical Review B, 2001, 63(24): 245407.）。干系技能被成功运用到集成电路材料设计、器件设计与工艺仿真领域。 NEGF-TB是（非平衡格林函数-紧束缚近似）方法，这类方法是将非平衡格林函数方法与紧束缚近似模型相结合。从技能层面讲NEGF-TB的技能还未能够直接面对新材料对集成电路前辈工艺带来的寻衅。 2) Synopsys收购Quantumwise A/S公司构建技能闭环 Synopsys为了构建其在3nm技能节点的技能路线，收购了丹麦的Quantumwise A/S公司。通过结合NEGF-DFT（非平衡格林函数-密度泛函）技能和传统TCAD基于的漂移扩散模型（Drift-Diffusion，DD模型）来实现技能的闭环。 3) Silvaco与NEMO5互助推进原子尺度TCAD（Atomistic TCAD） NEMO5为普渡大学的团队开拓的原子尺度TCAD软件。NEMO5的原子仿照功能会演化为Silvaco TCAD的工具套件。NEMO5聚焦在在原子和亚原子尺度，预测半导体和金属纳米线中的电子构造、声子构造和量子输运性子。 NEMO5的核心是与密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）输入的兼容性以及对诸如有限温度和制造限定等现实天下效应的全面覆盖。 4) 鸿之微科技原子尺度TCAD——Device TCAD，双重技能路线原子尺度全覆盖 Device TCAD是鸿之微基于NEGF-DFT等技能开拓的Atomistic TCAD软件，可以用于不同材料类型、不同器件构造的纳米器件的仿照，目前已经被国内外多家高校、研究以是及企业所采取。 作为海内唯逐一家从事Atomistic TCAD软件开拓与做事的高新科技公司，鸿之微的技能路线不仅包含了基于NEGF-DFT技能的原子尺度的Atomistic TCAD产品，其技能路线也实现了原子尺度的全覆盖。 对付基于NEGF-TB的原子尺度TCAD，鸿之微科技也进行了相应的Atomistic TCAD软件产品开拓，对应的产品有Nanoskif和Nanoskim等软件模块。 鸿之微Device TCAD软件框架图 （图片来源：鸿之微科技技能团队龚奎博士） Device TCAD技能方法基于NEGF-DFT技能，为理解决传统NEGF-DFT中面对随机掺杂等方面的问题，Device TCAD中开拓了NEGF-CPA技能，能够更好的处理掺杂工艺对器件和材料性能的影响。 5) Synopsys Sentaurus TCAD与Device TCAD比拟 为了研究纳米硅中的应力和应变，以及对应的不同掺杂元素对新型器件的影响，采取Device TCAD中NEGF-DFT技能模块与Synopsys Sentaurus TCAD进行比拟，创造两者吻合的很好。 Device TCAD中NEGF-DFT模块与Synopsys Sentaurus TCAD的比拟（图片来源：Zhang L, Zahid F, Zhu Y, et al. First principles simulations of nanoscale silicon devices with uniaxial strain[J]. IEEE transactions >） 鸿之微除了开拓Device TCAD外，还在积极探索从原子尺度逐渐向传统工艺尺度（DD模型）延伸，推动原子尺度与传统尺度TCAD的领悟。 鸿之微科技与中科院微电子所共同建立了集成电路联合打算实验室，开拓集成电路制造领域的前辈TCAD技能。 Atomistic TCAD：国家竞争必争之地，须要国家及百口当链协同 1) 国家竞争必争之地 中国在20nm以上技能节点的EDA技能赛道上面临着重重寻衅，诸如无法与前辈制造工艺领悟发展的机会等窘境。在TCAD领域随着集成电路制造工艺水平到达3纳米，集成电路制造工艺掌握问题，新的物理效应和器件架构等成为一个环球集成电路行业所面临的新问题，在这一问题上，我国企业和国外集成电路企业是在同一出发点水平。 中国科学家以及干系的企业和研究所在多少器件物理和根本数学的研究已经走在世界前列。Atomistic TCAD的开拓须要协同材料科学与工程、微电子、IT、物理、化学等多领域的协同，也是中国借此提升人才培养、多学科协同发展的绝佳契机。 2) Atomistic TCAD须要百口当链的协同 Atomistic TCAD是集成电路研发、设计、制造等工业知识的领悟与沉淀，须要集成电路领域的用户来共同打造。如今，环球集成电路企业在Atomistic TCAD领域均处于同一起跑线上，对付中国海内的设计公司、制造厂、设备厂商而言，均是一个难逢的机会。 3) 海内集成电路制造厂商：Atomistic TCAD发展的沃土，也是干系技能的受益者 Atomistic TCAD软件不是纯挚靠开拓出来的，而是用户与软件开拓商共同协作发展出来的，须要海内顶尖的集成电路制造厂商来利用和反馈，终极形成利用和反馈的闭环，促进Atomistic TCAD的发展，Atomistic TCAD产生的器件等参数亦可以为Design house（设计公司）进行EDA设计时供应干系的参数。 4) 国产新材料厂商：Atomistic TCAD新材料的开拓和优化 目前材料的研发已经进入到从原子尺度，探求构效关系设计和研发的阶段，而传统的材料干系软件已经无法知足广大材料企业的研发和技能创新需求。通过借助于Atomistic TCAD可以进行各种新材料的研发、设计与优化以及失落效剖析。 期待中国集成电路企业在3-5nm前辈制造领域抢占Atomistic TCAD软件的制高点，推动中国集成电路耸立于天下集成电路强林。 作者先容 谢志峰 艾新教诲创始人、芯盟科技总经理 芯片科普第一人 英特尔最高技能造诣奖得主 中芯国际创始团队核心成员 复旦大学微电子学院兼职教授 科学中国人（2018）年度人物得到者 谢志峰于美国伦斯勒理工学院半导体物理专业博士毕业，后就职于美国英特尔，并得到英特尔最高造诣奖。于2001年返国追随张汝京师长西席创办中芯国际，历任投资中央副总裁，系统芯片研发中央副总裁、欧亚业务中央总经理。曾任上海前辈半导系统编制造有限公司总裁兼实行董事，先后创办了上海矽睿科技有限公司和专注培养科技家当人才的艾新教诲学院。 谢志峰博士是上海市科学技能协会第九届委员会委员，上海市工程师学会总工程师事情委员会副主任，美国IEEE高等会员，美国物理学会终生会员，2014年度EE times IC设计公司精彩管理者，并拥有十二项美国发明专利。 免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人不雅观点，半导体行业不雅观察转载仅为了传达一种不同的不雅观点，不代表半导体行业不雅观察对该不雅观点赞许或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业不雅观察。 本日是《半导体行业不雅观察》为您分享的第2110期内容，欢迎关注。 半导体行业不雅观察 『半导体第一垂直媒体』 实时 专业 原创 深度
