芝能智芯出品

隨着摩爾定律逐漸逼近物理極限，先進製程與系統級封裝的協同成爲定製芯片設計的核心路徑。

世芯科技（Alchip）基於臺積電N2製程推出的2nm設計平臺，正是面向高性能計算（HPC）和人工智能（AI）場景，對異構集成、封裝協同、功耗控制與設計複雜性管理等問題的一次系統性工程響應。

支持2nm計算芯片與3nm/5nm I/O芯片混合設計，並圍繞GAAFET架構的佈局挑戰、熱密度瓶頸和互連需求，構建出具備全流程優化能力的設計方法論，也爲未來臺積電A16工藝的演進鋪平了路徑。

Part 1GAAFET結構驅動設計：從規則適配到全流程協同

臺積電N2節點引入的環柵晶體管（GAAFET），首次以納米片架構取代FinFET，是半導體制程二十年來最根本的器件級變革。

這種結構能通過調整納米片的數量和寬度獲得更高的靜電控制能力，從而在漏電、開關速度與尺寸縮減之間實現更優的平衡。

相較於N3E節點，GAAFET可帶來10–15%的速度提升，或25–30%的功耗降低，也帶來了空前的設計複雜性。

世芯科技的2nm平臺針對GAAFET的幾個核心挑戰進行技術性適配：

◎標準單元庫的複雜化管理：GAAFET結構導致設計規則顯著變化，傳統標準單元庫在高度、間距與功耗特性上難以直接繼承。Alchip重新定義了佈局單元的柵寬組合方式，使其適配納米片可堆疊特性，同時建立多版本PPA模型庫，用於不同性能/功耗權衡的動態選擇。◎早期佈局與佈線預測機制：N2節點的密度提高帶來佈線擁塞風險和電源完整性挑戰。世芯平臺在佈局階段引入了預測性佈線評估算法，綜合考慮金屬阻抗、電源網分佈與時鐘樹佈局，對傳統Place & Route流程進行前移式干預，提高物理實現的成功率與效率。◎電源完整性規劃強化：由於GAAFET通道更窄、電流密度更高，世芯在2nm平臺中引入了更細粒度的電源網格壓控分析，以及多模態EM/IR校驗機制，避免局部功率熱點和電源降壓引發的可靠性問題。

這類從器件結構變化出發的系統性優化，意味着該平臺已不再是傳統設計流程的“縮小版”，而是爲GAAFET量身定製的設計生態系統，推動定製ASIC設計從以“佈局適應工藝”向“工藝驅動系統設計”方向演進。

Part 2異構集成與熱功耗管理：從單芯片優化到系統級協同

除了晶體管結構層面的適配，2nm平臺更具突破性之處在於它對多芯片異構設計與熱功耗協同的全流程支持。後摩爾時代，單芯片的性能提升已不足以滿足AI/HPC系統的高帶寬、高算力需求，封裝內多芯片協同成爲主流趨勢。

世芯在平臺中提供瞭如下關鍵技術路徑：

◎支持2nm + 3nm/5nm混合集成：在缺乏成熟2nm I/O製程的初期，平臺允許將計算芯片採用N2工藝實現，而I/O芯片則保持在更成熟的N3或N5節點，確保系統穩定性和早期良率。同時，平臺提供成熟的D2D互連IP，支持多芯片高速接口的跨節點電氣兼容與協議映射，減少信號完整性損耗。◎支持TSMC 2.5D/3D封裝技術棧：平臺原生適配CoWoS-S/R/L、SoIC-X等臺積電封裝方案，且具備完整的TSV佈線模板、熱仿真模型和芯粒間電源共享設計支持。SoIC-X芯粒互連在Alchip平臺上已通過首輪驗證，確保其用於未來高密度3D堆疊的可量產性。◎熱感知佈局與功耗分佈規劃：由於2nm下的晶體管密度提升，每mm²功率密度急劇上升，熱熱點問題成爲決定可靠性的關鍵因子。世芯平臺在佈局階段引入熱仿真反饋機制，將“冷區放置控制邏輯、熱區避開存儲陣列”的策略自動融入佈局器。同時，通過電源分配的區域化管理，控制熱點集中。◎首次流片驗證與SoIC互連演示：世芯已基於該平臺完成2nm試驗芯片流片，採用AP-Link-3D I/O接口並實現SoIC-X封裝互連，全流程穩定運行，表明其在2nm SoC+Chiplet混合架構下的可製造性和信號完整性均已達標。

這一平臺並不侷限於N2節點，而是向後兼容，向前適配。它爲未來引入背面供電（BSPDN）和更高密度封裝的臺積電A16節點（1.6nm）打下基礎。

通過在2nm階段驗證3D堆疊與跨節點異構互連能力，平臺在客戶未來轉向A16工藝時，可實現設計遷移路徑最小化。

小結

Alchip世芯科技的2nm設計平臺圍繞先進工藝節點所展開的一整套設計思維重構。從前端RTL設計到後端物理實現，從封裝集成到熱功耗管理，這是對新一代節點物理特性的深度理解與系統化應對。