作為EDA領域的重要分支和核心底層，TCAD（Technology Computer Aided Design，半導體工藝和器件仿真軟件）在器件設計和工藝開發(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、人才、資金、生態(tài)構筑起森嚴的行業(yè)壁壘，為后入者帶來重重挑戰(zhàn)，TCAD也成為國內EDA產業(yè)鏈亟待突破的卡脖子環(huán)節(jié)。
十余年來，蘇州培風圖南半導體有限公司（以下簡稱“培風圖南”）堅持自主研發(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器件仿真工具實現(xiàn)交付，2024年，3D FinFET工藝仿真工具首次送樣國內某頭部芯片制造商，培風圖南成為國內唯一實現(xiàn)TCAD商用的廠商。
手握3D TCAD“利器”，培風圖南劍指下一目標——基于“數(shù)字孿生”的虛擬晶圓廠，標志著國內EDA企業(yè)自主創(chuàng)新進入新階段，在叩開百億規(guī)模市場大門的同時，其在國內產業(yè)鏈中的核心價值也愈發(fā)凸顯。
TCAD——晶圓制造EDA的核心底層
TCAD是建立在半導體物理基礎之上的數(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)字和模擬電路設計，服務于Fabless的EDA工具不同，TCAD主要應用于集成電路制造業(yè)，主要客戶是Fab廠。后摩爾時代，隨著制程向個位數(shù)節(jié)點前演進，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。通過減少實驗次數(shù)和縮短開發(fā)時間能夠將生產成本降低40%，這也使得TCAD在半導體產業(yè)價值鏈中的極高地位和價值愈發(fā)凸顯。
經過多年發(fā)展，集成電路的工藝不斷向前演進，為TCAD帶來新的需求。近年來進入到14nm以下的先進制程后，不僅從2D到3D TCAD技術的升級成為必須，Path-Finding、DTCO等新的應用場景也推動了TCAD拓展了大量新功能。當下，晶圓廠全面推進納米尺度工藝研發(fā)，又對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工藝步驟，構造“虛擬晶圓廠”(Virtual Fab)，在工藝研發(fā)環(huán)節(jié)演進到基于數(shù)字孿生和仿真的方法學。在結合了物理信息機器學習后（PIML）后，以TCAD為核心的虛擬晶圓廠可以大幅提高對預測能力。未來，晶圓廠的生產將進入到全面感知、實時預測、全程精密控制的工業(yè)4.0時代，與之相應的虛擬晶圓廠軟件全球市場規(guī)模也將實現(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)壁壘和封閉的應用生態(tài)。
過去幾年，受政策和資本的推動，國內EDA產業(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)市場年均增長率達到16%。但根據(jù)集微咨詢（JW Insights）最新市場調研數(shù)據(jù)顯示，在國內近百家的EDA公司中，約有40%主攻驗證/優(yōu)化環(huán)節(jié)的工具，而發(fā)力攻堅制造環(huán)節(jié)的EDA工具只有11.7%，作為制造環(huán)節(jié)EDA工具這一細分領域的TCAD而言，國內更是鮮有企業(yè)涉足。
此外，隨著近年來美國及盟友對于中國集成電路產業(yè)的加大打壓力度，涉及先進制程的制造類EDA日益成為出口管制的焦點。因此，以TCAD為代表的制造類EDA工具成為國內EDA行業(yè)亟需突破的關鍵環(huán)節(jié)。
險山峻嶺，后來者的重重挑戰(zhàn)
如前文所述，TCAD領域長期被少數(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)高強度研發(fā)，形成的堅固的生態(tài)壁壘，為后進入者帶來了十足的挑戰(zhàn)。
首先，TCAD具有交叉學科屬性。一名優(yōu)秀的仿真工程師往往需要具備多學科背景和跨學科學習能力。不僅要掌握設計制造全流程的經驗，熟悉節(jié)點演進，還要充分考慮到其間涉及的所有物理效應。翻閱TCAD軟件的手冊，數(shù)千頁的篇幅徜徉在量子力學、半導體物理、等離子體、力學、材料學、光學、化學理論的密林中，每一片樹葉都有可能是解決工程問題的關鍵。
美國企業(yè)之所以能夠在EDA領域成為先驅并持續(xù)保持領先地位，與80年代因放棄超級對撞機項目導致大量物理學家等一批最聰明且有產業(yè)抱負的人才進入這一領域有很大關系。
因此，TCAD對于從業(yè)者的半導體工藝理解和掌握，器件和電路的理論水平以及實踐經驗和分析能力，編程能力提出了極高挑戰(zhàn)，而國內目前在TCAD領域經驗豐富的工程師人才非常稀缺，也對研發(fā)團隊搭建提出了極高的要求。
其次，由于海外巨頭在TCAD領域多年壟斷，造成該領域極其封閉的生態(tài)，從而導致后進入者往往需要支付極高的學習成本。
以TCAD領域行業(yè)標桿客戶領域CMOS為例，由于新思的一家獨大，導致外界對于先進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在該領域追趕了十年仍然無法撼動前者在該領域的統(tǒng)治地位。
特別對于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間突破。所有的后進入者幾乎都要經歷從零起步，摸著石頭過河，不斷探索、試錯、積累模型、算法，可以說需要踩過無數(shù)的坑。
第三，EDA企業(yè)需要保持高強度的研發(fā)投入。國內EDA基礎較薄，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)展提供堅實的資金保障。
第四，代工廠認證門檻。對于Foundry而言，并沒有更多的精力及資源同時和多個EDA廠商對接，尤其是在新工藝、新制程攻堅中。因此，TCAD廠商普遍遭遇“你能夠對標誰？”的靈魂發(fā)問，否則無法獲得客戶對于其技術能力的認同。
培風圖南，國產TCAD率先突圍
正是由于較高的行業(yè)壁壘，多年來，在TCAD領域，國內鮮有企業(yè)能夠站上C位。即便是一些具備正向研發(fā)能力、有實力的EDA企業(yè)也難以在該領域真正立足。
這樣的局面，隨著2021年培風圖南的出現(xiàn)得到改變。
培風圖南旗下?lián)碛刑K州珂晶達電子有限公司和墨研計算科學（南京）有限公司兩家全資子公司，分別于2011年和2018年成立。產品覆蓋OPC、TCAD、抗輻射和Fab Service等領域。
培風圖南創(chuàng)始團隊深耕行業(yè)十余年，是國內最早鉆研制造類EDA產業(yè)化的先驅者，也是國內最早以自主知識產權開發(fā)為基礎的EDA公司之一，擁有業(yè)內制造類EDA最豪華的科學家團隊，培風圖南核心研發(fā)人員多來自一線大廠，是國內唯一制造EDA全品類工具覆蓋的廠商。
在TCAD產品方面，自2007年軟件研發(fā)啟動至今，經過近20年發(fā)展，培風圖南現(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、多時間維度、多空間維度的全面物理仿真，也是國內唯一實現(xiàn)TCAD商業(yè)應用的廠商。
目前，培風圖南完整的TCAD產品矩陣包括了器件仿真工具Mozz Device，工藝仿真器Mozz Process，多物理場仿真器GK-Photonics；服務于集成應用環(huán)境的Mozz Workbench，工藝和器件仿真的2D/3D圖形化界面工具Mozz Visual，架構編輯器Structure Editor；聯(lián)通設計方向的SPICE快速建模工具Mozz Extract，寄生參數(shù)提取工具Mozz RCEx和三維TCAD模型構建工具Gds2Mesh等，通過商用落地和客戶反饋，產品性能均可和海外領先的EDA同類型競品對標。
憑借在EDA行業(yè)的深厚積累，培風圖南率先實現(xiàn)TCAD領域國內公司的突圍。據(jù)集微網(wǎng)了解，在原創(chuàng)性方面，培風圖南的TCAD產品具有100%自主知識產權。如今，培風圖南已經能夠實現(xiàn)同海外龍頭的仿真工具全面對標，部分應用場景下較競品獲得10倍的性能加速和內存降低。同時，憑借在碳化硅材料應用領域的豐富經驗，同等精度下速度比競品快10倍，有望實現(xiàn)彎道超車。
作為國內唯一制造EDA全品類工具覆蓋的廠商，在國內制造EDA領域，培風圖南可謂一騎絕塵，與國內的追趕者已顯著拉開身位，同時向海外龍頭發(fā)起強有力的沖擊。
EDA企業(yè)方興未艾，也帶來了激烈的競爭。往往只有細分領域龍頭方能實現(xiàn)突圍，獲得資本青睞。憑借深厚的技術底蘊和創(chuàng)新能力，在TCAD領域和國內半導體產業(yè)鏈領域，培風圖南所具有的產業(yè)戰(zhàn)略意義和核心價值凸顯。這也是近年來培風圖南持續(xù)收獲行業(yè)和資本市場認可的原因，截至目前，培風圖南已進行數(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，培風圖南將迎來屬于自己的“奇點”時刻——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某頭部芯片制造商。
隨著先進制程工藝節(jié)點的持續(xù)演進，晶體管尺寸不斷縮小，F(xiàn)inFET、Chiplet等3D異構集成日益普及。同時，器件的小型化也導致了新材料和體系結構的引入，從而使晶體管結構變得更為復雜。在進行過程和物理級別進行計算機仿真時，需要與之對應的3D工藝/器件仿真器作為驗證工具來驗證仿真結果。3D TCAD技術與現(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用場景非常廣泛，涵蓋了邏輯、存儲、射頻、功率、光電、激光以及各類傳感器等等，每個應用領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)點上的不同制造環(huán)節(jié)也有復雜多維的加工工藝，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工具供應商，在從2D到3D物理仿真的技術遷移過程中，也偏向于針對功率器件進行研發(fā)，難以以點帶面。因此，實現(xiàn)3D器件仿真工具全鏈條突破十分具有挑戰(zhàn)，也需要經驗豐富、具有多學科基礎的復合型人才工程師團隊多年磨合。
相較于傳統(tǒng)TACD，3D TCAD可以擴展到對于完整設備、多個設備的3D模擬仿真，借助于3D TCAD，真實世界的物理模型能夠和數(shù)字世界中的虛擬模型一一對應（即數(shù)字孿生），對于晶圓制造而言，則可以實現(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)境中模擬整個器件制造過程，實時感知和控制生產中每個環(huán)節(jié)，進一步縮小先進制程工藝平臺開發(fā)的迭代周期和成本，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高器件性能和產量，為實現(xiàn)更加靈活高效的制造奠定了基礎，“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，虛擬晶圓廠或將帶來新的制造模式和商業(yè)模式的顯著變革，也將催生新的市場需求，隨著先進制程的不斷演進，虛擬晶圓廠在成本、良率上所帶來的價值將愈發(fā)凸顯，除了未來市場將達百億規(guī)模外，也將撬動晶圓代工業(yè)千億規(guī)模的產能提升。而掌握3D TCAD技術以及多物理場、多時間維度、多空間維度的全面物理仿真能力，以及具有豐富經驗的優(yōu)秀工程師團隊成為構建虛擬晶圓廠的必要條件。
培風圖南作為目前國內唯一制造EDA全品類工具覆蓋的廠商，以及唯一實現(xiàn)TCAD商用的廠商，具備了從米級到納米級覆蓋流體、力學、熱、光、電磁、電子、化學、等離子體等領域的多物理場仿真能力，完整的TCAD產品矩陣，在率先掌握3D TCAD技術后，更成為目前國內唯一有能力構建虛擬晶圓廠的TCAD供應商，也為未來的發(fā)展打開了空間。
中國EDA行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅囡L圖南在國內TCAD產業(yè)鏈中的稀缺性以及在虛擬晶圓廠等TCAD技術創(chuàng)新發(fā)展方向的引領，有助于進一步鞏固其在生產制造EDA這一細分領域的先發(fā)優(yōu)勢，拓展新的市場成長空間。同時，也需要政策、資本的更多支持以及更多產業(yè)鏈的協(xié)同，推動本土EDA企業(yè)實現(xiàn)更好地發(fā)展。
