培風(fēng)圖南：手握3D TCAD利器，劍指虛擬晶圓廠

作為EDA領(lǐng)域的重要分支和核心底層，TCAD（Technology Computer Aided Design，半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件）在器件設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。如果說EDA是集成電路“皇冠上的明珠”，那么TCAD則是最閃亮的一顆。

長久以來，少數(shù)海外企業(yè)把持TCAD市場，圍繞技術(shù)、人才、資金、生態(tài)構(gòu)筑起森嚴(yán)的行業(yè)壁壘，為后入者帶來重重挑戰(zhàn)，TCAD也成為國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)鏈亟待突破的卡脖子環(huán)節(jié)。

十余年來，蘇州培風(fēng)圖南半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱“培風(fēng)圖南”）堅(jiān)持自主研發(fā)和創(chuàng)新投入，突破重重挑戰(zhàn)，始終圍繞TCAD“城墻口”持續(xù)沖鋒。2022年，3D器件仿真工具實(shí)現(xiàn)交付，2024年，3D FinFET工藝仿真工具首次送樣國內(nèi)某頭部芯片制造商，培風(fēng)圖南成為國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)TCAD商用的廠商。

手握3D TCAD“利器”，培風(fēng)圖南劍指下一目標(biāo)——基于“數(shù)字孿生”的虛擬晶圓廠，標(biāo)志著國內(nèi)EDA企業(yè)自主創(chuàng)新進(jìn)入新階段，在叩開百億規(guī)模市場大門的同時(shí)，其在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈中的核心價(jià)值也愈發(fā)凸顯。

TCAD——晶圓制造EDA的核心底層

TCAD是建立在半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)之上的數(shù)值仿真工具，是連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁，也是EDA的核心底層。

與眾多用于數(shù)字和模擬電路設(shè)計(jì)，服務(wù)于Fabless的EDA工具不同，TCAD主要應(yīng)用于集成電路制造業(yè)，主要客戶是Fab廠。后摩爾時(shí)代，隨著制程向個(gè)位數(shù)節(jié)點(diǎn)前演進(jìn)，新制程研發(fā)成本激增，TCAD在幫助Fab廠縮短開發(fā)周期、降低成本、提升良率方面扮演的角色愈發(fā)重要。通過減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)和縮短開發(fā)時(shí)間能夠?qū)⑸a(chǎn)成本降低40%，這也使得TCAD在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的極高地位和價(jià)值愈發(fā)凸顯。

經(jīng)過多年發(fā)展，集成電路的工藝不斷向前演進(jìn)，為TCAD帶來新的需求。近年來進(jìn)入到14nm以下的先進(jìn)制程后，不僅從2D到3D TCAD技術(shù)的升級(jí)成為必須，Path-Finding、DTCO等新的應(yīng)用場景也推動(dòng)了TCAD拓展了大量新功能。當(dāng)下，晶圓廠全面推進(jìn)納米尺度工藝研發(fā)，又對(duì)TCAD軟件廠商提出了新的挑戰(zhàn)：用仿真模型覆蓋微加工各個(gè)工藝步驟，構(gòu)造“虛擬晶圓廠”(Virtual Fab)，在工藝研發(fā)環(huán)節(jié)演進(jìn)到基于數(shù)字孿生和仿真的方法學(xué)。在結(jié)合了物理信息機(jī)器學(xué)習(xí)后（PIML）后，以TCAD為核心的虛擬晶圓廠可以大幅提高對(duì)預(yù)測能力。未來，晶圓廠的生產(chǎn)將進(jìn)入到全面感知、實(shí)時(shí)預(yù)測、全程精密控制的工業(yè)4.0時(shí)代，與之相應(yīng)的虛擬晶圓廠軟件全球市場規(guī)模也將實(shí)現(xiàn)從數(shù)十億元到百億元的飛躍，發(fā)展前景和空間廣闊。

從市場格局來看，TCAD市場主要被海外大廠把持。新思科技，Silvaco等極少數(shù)廠商聯(lián)手占據(jù)了九成以上的市場份額，幾乎形成了贏者通吃之勢，也樹立起極高的行業(yè)壁壘和封閉的應(yīng)用生態(tài)。

過去幾年，受政策和資本的推動(dòng)，國內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，初創(chuàng)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，2021年—2025年，中國EDA行業(yè)市場年均增長率達(dá)到16%。但根據(jù)集微咨詢（JW Insights）最新市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在國內(nèi)近百家的EDA公司中，約有40%主攻驗(yàn)證/優(yōu)化環(huán)節(jié)的工具，而發(fā)力攻堅(jiān)制造環(huán)節(jié)的EDA工具只有11.7%，作為制造環(huán)節(jié)EDA工具這一細(xì)分領(lǐng)域的TCAD而言，國內(nèi)更是鮮有企業(yè)涉足。

此外，隨著近年來美國及盟友對(duì)于中國集成電路產(chǎn)業(yè)的加大打壓力度，涉及先進(jìn)制程的制造類EDA日益成為出口管制的焦點(diǎn)。因此，以TCAD為代表的制造類EDA工具成為國內(nèi)EDA行業(yè)亟需突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

險(xiǎn)山峻嶺，后來者的重重挑戰(zhàn)

如前文所述，TCAD領(lǐng)域長期被少數(shù)海外企業(yè)壟斷，這些企業(yè)通過長期的并購整合，持續(xù)高強(qiáng)度研發(fā)，形成的堅(jiān)固的生態(tài)壁壘，為后進(jìn)入者帶來了十足的挑戰(zhàn)。

首先，TCAD具有交叉學(xué)科屬性。一名優(yōu)秀的仿真工程師往往需要具備多學(xué)科背景和跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。不僅要掌握設(shè)計(jì)制造全流程的經(jīng)驗(yàn)，熟悉節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，還要充分考慮到其間涉及的所有物理效應(yīng)。翻閱TCAD軟件的手冊(cè)，數(shù)千頁的篇幅徜徉在量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理、等離子體、力學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)、化學(xué)理論的密林中，每一片樹葉都有可能是解決工程問題的關(guān)鍵。

美國企業(yè)之所以能夠在EDA領(lǐng)域成為先驅(qū)并持續(xù)保持領(lǐng)先地位，與80年代因放棄超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目導(dǎo)致大量物理學(xué)家等一批最聰明且有產(chǎn)業(yè)抱負(fù)的人才進(jìn)入這一領(lǐng)域有很大關(guān)系。

因此，TCAD對(duì)于從業(yè)者的半導(dǎo)體工藝?yán)斫夂驼莆?，器件和電路的理論水平以及?shí)踐經(jīng)驗(yàn)和分析能力，編程能力提出了極高挑戰(zhàn)，而國內(nèi)目前在TCAD領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師人才非常稀缺，也對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)搭建提出了極高的要求。

其次，由于海外巨頭在TCAD領(lǐng)域多年壟斷，造成該領(lǐng)域極其封閉的生態(tài)，從而導(dǎo)致后進(jìn)入者往往需要支付極高的學(xué)習(xí)成本。

以TCAD領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)桿客戶領(lǐng)域CMOS為例，由于新思的一家獨(dú)大，導(dǎo)致外界對(duì)于先進(jìn)CMOS的需求，采用何種模型和算法完全無從得知，即便是行業(yè)“二哥”的Silvaco在該領(lǐng)域追趕了十年仍然無法撼動(dòng)前者在該領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。

特別對(duì)于TCAD這種小工具而言，并非像大工具那樣通過砸錢鋪人就能夠在短時(shí)間突破。所有的后進(jìn)入者幾乎都要經(jīng)歷從零起步，摸著石頭過河，不斷探索、試錯(cuò)、積累模型、算法，可以說需要踩過無數(shù)的坑。

第三，EDA企業(yè)需要保持高強(qiáng)度的研發(fā)投入。國內(nèi)EDA基礎(chǔ)較薄，多數(shù)企業(yè)資金鏈長期處于緊張狀態(tài)，制約了工具和流程優(yōu)化迭代的速度，急需進(jìn)一步拓寬融資渠道，改善資本環(huán)境，為EDA創(chuàng)新發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的資金保障。

第四，代工廠認(rèn)證門檻。對(duì)于Foundry而言，并沒有更多的精力及資源同時(shí)和多個(gè)EDA廠商對(duì)接，尤其是在新工藝、新制程攻堅(jiān)中。因此，TCAD廠商普遍遭遇“你能夠?qū)?biāo)誰？”的靈魂發(fā)問，否則無法獲得客戶對(duì)于其技術(shù)能力的認(rèn)同。

培風(fēng)圖南，國產(chǎn)TCAD率先突圍

正是由于較高的行業(yè)壁壘，多年來，在TCAD領(lǐng)域，國內(nèi)鮮有企業(yè)能夠站上C位。即便是一些具備正向研發(fā)能力、有實(shí)力的EDA企業(yè)也難以在該領(lǐng)域真正立足。

這樣的局面，隨著2021年培風(fēng)圖南的出現(xiàn)得到改變。

培風(fēng)圖南旗下?lián)碛刑K州珂晶達(dá)電子有限公司和墨研計(jì)算科學(xué)（南京）有限公司兩家全資子公司，分別于2011年和2018年成立。產(chǎn)品覆蓋OPC、TCAD、抗輻射和Fab Service等領(lǐng)域。

培風(fēng)圖南創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)深耕行業(yè)十余年，是國內(nèi)最早鉆研制造類EDA產(chǎn)業(yè)化的先驅(qū)者，也是國內(nèi)最早以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開發(fā)為基礎(chǔ)的EDA公司之一，擁有業(yè)內(nèi)制造類EDA最豪華的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，培風(fēng)圖南核心研發(fā)人員多來自一線大廠，是國內(nèi)唯一制造EDA全品類工具覆蓋的廠商。

在TCAD產(chǎn)品方面，自2007年軟件研發(fā)啟動(dòng)至今，經(jīng)過近20年發(fā)展，培風(fēng)圖南現(xiàn)已建立完整的TCAD工具，覆蓋面向不同客戶的各類工藝和器件，可以做到多物理場、多時(shí)間維度、多空間維度的全面物理仿真，也是國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)TCAD商業(yè)應(yīng)用的廠商。

目前，培風(fēng)圖南完整的TCAD產(chǎn)品矩陣包括了器件仿真工具M(jìn)ozz Device，工藝仿真器Mozz Process，多物理場仿真器GK-Photonics；服務(wù)于集成應(yīng)用環(huán)境的Mozz Workbench，工藝和器件仿真的2D/3D圖形化界面工具M(jìn)ozz Visual，架構(gòu)編輯器Structure Editor；聯(lián)通設(shè)計(jì)方向的SPICE快速建模工具M(jìn)ozz Extract，寄生參數(shù)提取工具M(jìn)ozz RCEx和三維TCAD模型構(gòu)建工具Gds2Mesh等，通過商用落地和客戶反饋，產(chǎn)品性能均可和海外領(lǐng)先的EDA同類型競品對(duì)標(biāo)。

憑借在EDA行業(yè)的深厚積累，培風(fēng)圖南率先實(shí)現(xiàn)TCAD領(lǐng)域國內(nèi)公司的突圍。據(jù)集微網(wǎng)了解，在原創(chuàng)性方面，培風(fēng)圖南的TCAD產(chǎn)品具有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。如今，培風(fēng)圖南已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)同海外龍頭的仿真工具全面對(duì)標(biāo)，部分應(yīng)用場景下較競品獲得10倍的性能加速和內(nèi)存降低。同時(shí)，憑借在碳化硅材料應(yīng)用領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，同等精度下速度比競品快10倍，有望實(shí)現(xiàn)彎道超車。

作為國內(nèi)唯一制造EDA全品類工具覆蓋的廠商，在國內(nèi)制造EDA領(lǐng)域，培風(fēng)圖南可謂一騎絕塵，與國內(nèi)的追趕者已顯著拉開身位，同時(shí)向海外龍頭發(fā)起強(qiáng)有力的沖擊。

EDA企業(yè)方興未艾，也帶來了激烈的競爭。往往只有細(xì)分領(lǐng)域龍頭方能實(shí)現(xiàn)突圍，獲得資本青睞。憑借深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和創(chuàng)新能力，在TCAD領(lǐng)域和國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域，培風(fēng)圖南所具有的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略意義和核心價(jià)值凸顯。這也是近年來培風(fēng)圖南持續(xù)收獲行業(yè)和資本市場認(rèn)可的原因，截至目前，培風(fēng)圖南已進(jìn)行數(shù)輪融資，投資方包括華為哈勃、元禾重元等。

3D TCAD利器在手，劍指虛擬晶圓廠

2024年，培風(fēng)圖南將迎來屬于自己的“奇點(diǎn)”時(shí)刻——全新一代的3D器件仿真工具以及3D FinFET工藝仿真工具的首次送樣國內(nèi)某頭部芯片制造商。

隨著先進(jìn)制程工藝節(jié)點(diǎn)的持續(xù)演進(jìn)，晶體管尺寸不斷縮小，F(xiàn)inFET、Chiplet等3D異構(gòu)集成日益普及。同時(shí)，器件的小型化也導(dǎo)致了新材料和體系結(jié)構(gòu)的引入，從而使晶體管結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。在進(jìn)行過程和物理級(jí)別進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，需要與之對(duì)應(yīng)的3D工藝/器件仿真器作為驗(yàn)證工具來驗(yàn)證仿真結(jié)果。3D TCAD技術(shù)與現(xiàn)有的CMOS制造工藝高度兼容，從而成為IC行業(yè)的理想選擇。

3D物理仿真工具面向的集成電路應(yīng)用場景非常廣泛，涵蓋了邏輯、存儲(chǔ)、射頻、功率、光電、激光以及各類傳感器等等，每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都需要引入不同的物理場、物理模型和求解算法需求，而且即便是某一工藝節(jié)點(diǎn)上的不同制造環(huán)節(jié)也有復(fù)雜多維的加工工藝，注入、氧化、退火等步驟背后，有完全不同的物理機(jī)制和控制方程，求解算法也不同。即便是諸如Silvaco這樣的海外頭部TCAD工具供應(yīng)商，在從2D到3D物理仿真的技術(shù)遷移過程中，也偏向于針對(duì)功率器件進(jìn)行研發(fā)，難以以點(diǎn)帶面。因此，實(shí)現(xiàn)3D器件仿真工具全鏈條突破十分具有挑戰(zhàn)，也需要經(jīng)驗(yàn)豐富、具有多學(xué)科基礎(chǔ)的復(fù)合型人才工程師團(tuán)隊(duì)多年磨合。

相較于傳統(tǒng)TACD，3D TCAD可以擴(kuò)展到對(duì)于完整設(shè)備、多個(gè)設(shè)備的3D模擬仿真，借助于3D TCAD，真實(shí)世界的物理模型能夠和數(shù)字世界中的虛擬模型一一對(duì)應(yīng)（即數(shù)字孿生），對(duì)于晶圓制造而言，則可以實(shí)現(xiàn)從單步工藝到全流程的數(shù)字化重塑，形成基于數(shù)字孿生工藝研發(fā)的“虛擬晶圓廠”。

通過虛擬晶圓廠，研發(fā)人員可以在數(shù)字環(huán)境中模擬整個(gè)器件制造過程，實(shí)時(shí)感知和控制生產(chǎn)中每個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步縮小先進(jìn)制程工藝平臺(tái)開發(fā)的迭代周期和成本，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高器件性能和產(chǎn)量，為實(shí)現(xiàn)更加靈活高效的制造奠定了基礎(chǔ)，“虛擬晶圓廠”也被視為TCAD下一階段發(fā)展的重要方向。

行業(yè)看來，虛擬晶圓廠或?qū)硇碌闹圃炷Ｊ胶蜕虡I(yè)模式的顯著變革，也將催生新的市場需求，隨著先進(jìn)制程的不斷演進(jìn)，虛擬晶圓廠在成本、良率上所帶來的價(jià)值將愈發(fā)凸顯，除了未來市場將達(dá)百億規(guī)模外，也將撬動(dòng)晶圓代工業(yè)千億規(guī)模的產(chǎn)能提升。而掌握3D TCAD技術(shù)以及多物理場、多時(shí)間維度、多空間維度的全面物理仿真能力，以及具有豐富經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀工程師團(tuán)隊(duì)成為構(gòu)建虛擬晶圓廠的必要條件。

培風(fēng)圖南作為目前國內(nèi)唯一制造EDA全品類工具覆蓋的廠商，以及唯一實(shí)現(xiàn)TCAD商用的廠商，具備了從米級(jí)到納米級(jí)覆蓋流體、力學(xué)、熱、光、電磁、電子、化學(xué)、等離子體等領(lǐng)域的多物理場仿真能力，完整的TCAD產(chǎn)品矩陣，在率先掌握3D TCAD技術(shù)后，更成為目前國內(nèi)唯一有能力構(gòu)建虛擬晶圓廠的TCAD供應(yīng)商，也為未來的發(fā)展打開了空間。

中國EDA行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?，培風(fēng)圖南在國內(nèi)TCAD產(chǎn)業(yè)鏈中的稀缺性以及在虛擬晶圓廠等TCAD技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展方向的引領(lǐng)，有助于進(jìn)一步鞏固其在生產(chǎn)制造EDA這一細(xì)分領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，拓展新的市場成長空間。同時(shí)，也需要政策、資本的更多支持以及更多產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同，推動(dòng)本土EDA企業(yè)實(shí)現(xiàn)更好地發(fā)展。