培風(fēng)圖南：手握3D TCAD利器，劍指虛擬晶圓廠(chǎng)

作為EDA領(lǐng)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(kāi)發(fā)環(huán)節中發(fā)揮著(zhù)重要作用。如果說(shuō)EDA是集成電路“皇冠上的明珠”，那么TCAD則是最閃亮的一顆。

長(cháng)久以來(lái)，少數海外企業(yè)把持TCAD市場(chǎng)，圍繞技術(shù)、人才、資金、生態(tài)構筑起森嚴的行業(yè)壁壘，為后入者帶來(lái)重重挑戰，TCAD也成為國內EDA產(chǎn)業(yè)鏈亟待突破的卡脖子環(huán)節。

十余年來(lái)，蘇州培風(fēng)圖南半導體有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“培風(fēng)圖南”）堅持自主研發(fā)和創(chuàng )新投入，突破重重挑戰，始終圍繞TCAD“城墻口”持續沖鋒。2022年，3D器件仿真工具實(shí)現交付，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(fēng)圖南成為國內唯一實(shí)現TCAD商用的廠(chǎng)商。

手握3D TCAD“利器”，培風(fēng)圖南劍指下一目標——基于“數字孿生”的虛擬晶圓廠(chǎng)，標志著(zhù)國內EDA企業(yè)自主創(chuàng )新進(jìn)入新階段，在叩開(kāi)百億規模市場(chǎng)大門(mén)的同時(shí)，其在國內產(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是建立在半導體物理基礎之上的數值仿真工具，是連接物理世界和數字世界的橋梁，也是EDA的核心底層。

與眾多用于數字和模擬電路設計，服務(wù)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(hù)是Fab廠(chǎng)。后摩爾時(shí)代，隨著(zhù)制程向個(gè)位數節點(diǎn)前演進(jìn)，新制程研發(fā)成本激增，TCAD在幫助Fab廠(chǎng)縮短開(kāi)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(guò)減少實(shí)驗次數和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間能夠將生產(chǎn)成本降低40%，這也使得TCAD在半導體產(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(guò)多年發(fā)展，集成電路的工藝不斷向前演進(jìn)，為T(mén)CAD帶來(lái)新的需求。近年來(lái)進(jìn)入到14nm以下的先進(jìn)制程后，不僅從2D到3D TCAD技術(shù)的升級成為必須，Path-Finding、DTCO等新的應用場(chǎng)景也推動(dòng)了TCAD拓展了大量新功能。當下，晶圓廠(chǎng)全面推進(jìn)納米尺度工藝研發(fā)，又對TCAD軟件廠(chǎng)商提出了新的挑戰：用仿真模型覆蓋微加工各個(gè)工藝步驟，構造“虛擬晶圓廠(chǎng)”(Virtual Fab)，在工藝研發(fā)環(huán)節演進(jìn)到基于數字孿生和仿真的方法學(xué)。在結合了物理信息機器學(xué)習后（PIML）后，以TCAD為核心的虛擬晶圓廠(chǎng)可以大幅提高對預測能力。未來(lái)，晶圓廠(chǎng)的生產(chǎn)將進(jìn)入到全面感知、實(shí)時(shí)預測、全程精密控制的工業(yè)4.0時(shí)代，與之相應的虛擬晶圓廠(chǎng)軟件全球市場(chǎng)規模也將實(shí)現從數十億元到百億元的飛躍，發(fā)展前景和空間廣闊。

從市場(chǎng)格局來(lái)看，TCAD市場(chǎng)主要被海外大廠(chǎng)把持。新思科技，Silvaco等極少數廠(chǎng)商聯(lián)手占據了九成以上的市場(chǎng)份額，幾乎形成了贏(yíng)者通吃之勢，也樹(shù)立起極高的行業(yè)壁壘和封閉的應用生態(tài)。

過(guò)去幾年，受政策和資本的推動(dòng)，國內EDA產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，初創(chuàng )企業(yè)不斷涌現，2021年—2025年，中國EDA行業(yè)市場(chǎng)年均增長(cháng)率達到16%。但根據集微咨詢(xún)（JW Insights）最新市場(chǎng)調研數據顯示，在國內近百家的EDA公司中，約有40%主攻驗證/優(yōu)化環(huán)節的工具，而發(fā)力攻堅制造環(huán)節的EDA工具只有11.7%，作為制造環(huán)節EDA工具這一細分領(lǐng)域的TCAD而言，國內更是鮮有企業(yè)涉足。

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

險山峻嶺，后來(lái)者的重重挑戰

如前文所述，TCAD領(lǐng)域長(cháng)期被少數海外企業(yè)壟斷，這些企業(yè)通過(guò)長(cháng)期的并購整合，持續高強度研發(fā)，形成的堅固的生態(tài)壁壘，為后進(jìn)入者帶來(lái)了十足的挑戰。

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)習能力。不僅要掌握設計制造全流程的經(jīng)驗，熟悉節點(diǎn)演進(jìn)，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，數千頁(yè)的篇幅徜徉在量子力學(xué)、半導體物理、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(shù)葉都有可能是解決工程問(wèn)題的關(guān)鍵。

美國企業(yè)之所以能夠在EDA領(lǐng)域成為先驅并持續保持領(lǐng)先地位，與80年代因放棄超級對撞機項目導致大量物理學(xué)家等一批最聰明且有產(chǎn)業(yè)抱負的人才進(jìn)入這一領(lǐng)域有很大關(guān)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(shí)踐經(jīng)驗和分析能力，編程能力提出了極高挑戰，而國內目前在TCAD領(lǐng)域經(jīng)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(lǐng)域多年壟斷，造成該領(lǐng)域極其封閉的生態(tài)，從而導致后進(jìn)入者往往需要支付極高的學(xué)習成本。

以TCAD領(lǐng)域行業(yè)標桿客戶(hù)領(lǐng)域CMOS為例，由于新思的一家獨大，導致外界對于先進(jìn)CMOS的需求，采用何種模型和算法完全無(wú)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(wú)法撼動(dòng)前者在該領(lǐng)域的統治地位。

特別對于TCAD這種小工具而言，并非像大工具那樣通過(guò)砸錢(qián)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(zhù)石頭過(guò)河，不斷探索、試錯、積累模型、算法，可以說(shuō)需要踩過(guò)無(wú)數的坑。

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，多數企業(yè)資金鏈長(cháng)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)展提供堅實(shí)的資金保障。

第四，代工廠(chǎng)認證門(mén)檻。對于Foundry而言，并沒(méi)有更多的精力及資源同時(shí)和多個(gè)EDA廠(chǎng)商對接，尤其是在新工藝、新制程攻堅中。因此，TCAD廠(chǎng)商普遍遭遇“你能夠對標誰(shuí)？”的靈魂發(fā)問(wèn)，否則無(wú)法獲得客戶(hù)對于其技術(shù)能力的認同。

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(lái)，在TCAD領(lǐng)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(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(zhù)2021年培風(fēng)圖南的出現得到改變。

培風(fēng)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(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 )始團隊深耕行業(yè)十余年，是國內最早鉆研制造類(lèi)EDA產(chǎn)業(yè)化的先驅者，也是國內最早以自主知識產(chǎn)權開(kāi)發(fā)為基礎的EDA公司之一，擁有業(yè)內制造類(lèi)EDA最豪華的科學(xué)家團隊，培風(fēng)圖南核心研發(fā)人員多來(lái)自一線(xiàn)大廠(chǎng)，是國內唯一制造EDA全品類(lèi)工具覆蓋的廠(chǎng)商。

在TCAD產(chǎn)品方面，自2007年軟件研發(fā)啟動(dòng)至今，經(jīng)過(guò)近20年發(fā)展，培風(fēng)圖南現已建立完整的TCAD工具，覆蓋面向不同客戶(hù)的各類(lèi)工藝和器件，可以做到多物理場(chǎng)、多時(shí)間維度、多空間維度的全面物理仿真，也是國內唯一實(shí)現TCAD商業(yè)應用的廠(chǎng)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(chǎng)仿真器GK-Photonics；服務(wù)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M(jìn)ozz Visual，架構編輯器Structure Editor；聯(lián)通設計方向的SPICE快速建模工具M(jìn)ozz Extract，寄生參數提取工具M(jìn)ozz RCEx和三維TCAD模型構建工具Gds2Mesh等，通過(guò)商用落地和客戶(hù)反饋，產(chǎn)品性能均可和海外領(lǐng)先的EDA同類(lèi)型競品對標。

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

作為國內唯一制造EDA全品類(lèi)工具覆蓋的廠(chǎng)商，在國內制造EDA領(lǐng)域，培風(fēng)圖南可謂一騎絕塵，與國內的追趕者已顯著(zhù)拉開(kāi)身位，同時(shí)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(lái)了激烈的競爭。往往只有細分領(lǐng)域龍頭方能實(shí)現突圍，獲得資本青睞。憑借深厚的技術(shù)底蘊和創(chuàng )新能力，在TCAD領(lǐng)域和國內半導體產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域，培風(fēng)圖南所具有的產(chǎn)業(yè)戰略意義和核心價(jià)值凸顯。這也是近年來(lái)培風(fēng)圖南持續收獲行業(yè)和資本市場(chǎng)認可的原因，截至目前，培風(fēng)圖南已進(jìn)行數輪融資，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(chǎng)

2024年，培風(fēng)圖南將迎來(lái)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某頭部芯片制造商。

隨著(zhù)先進(jìn)制程工藝節點(diǎn)的持續演進(jìn)，晶體管尺寸不斷縮小，FinFET、Chiplet等3D異構集成日益普及。同時(shí)，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(jìn)行過(guò)程和物理級別進(jìn)行計算機仿真時(shí)，需要與之對應的3D工藝/器件仿真器作為驗證工具來(lái)驗證仿真結果。3D TCAD技術(shù)與現有的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(chǎng)景非常廣泛，涵蓋了邏輯、存儲、射頻、功率、光電、激光以及各類(lèi)傳感器等等，每個(gè)應用領(lǐng)域都需要引入不同的物理場(chǎng)、物理模型和求解算法需求，而且即便是某一工藝節點(diǎn)上的不同制造環(huán)節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(shù)遷移過(guò)程中，也偏向于針對功率器件進(jìn)行研發(fā)，難以以點(diǎn)帶面。因此，實(shí)現3D器件仿真工具全鏈條突破十分具有挑戰，也需要經(jīng)驗豐富、具有多學(xué)科基礎的復合型人才工程師團隊多年磨合。

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

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

行業(yè)看來(lái)，虛擬晶圓廠(chǎng)或將帶來(lái)新的制造模式和商業(yè)模式的顯著(zhù)變革，也將催生新的市場(chǎng)需求，隨著(zhù)先進(jìn)制程的不斷演進(jìn)，虛擬晶圓廠(chǎng)在成本、良率上所帶來(lái)的價(jià)值將愈發(fā)凸顯，除了未來(lái)市場(chǎng)將達百億規模外，也將撬動(dòng)晶圓代工業(yè)千億規模的產(chǎn)能提升。而掌握3D TCAD技術(shù)以及多物理場(chǎng)、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)驗的優(yōu)秀工程師團隊成為構建虛擬晶圓廠(chǎng)的必要條件。

培風(fēng)圖南作為目前國內唯一制造EDA全品類(lèi)工具覆蓋的廠(chǎng)商，以及唯一實(shí)現TCAD商用的廠(chǎng)商，具備了從米級到納米級覆蓋流體、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(chǎng)仿真能力，完整的TCAD產(chǎn)品矩陣，在率先掌握3D TCAD技術(shù)后，更成為目前國內唯一有能力構建虛擬晶圓廠(chǎng)的TCAD供應商，也為未來(lái)的發(fā)展打開(kāi)了空間。

中國EDA行業(yè)發(fā)展潛力巨大，培風(fēng)圖南在國內TCAD產(chǎn)業(yè)鏈中的稀缺性以及在虛擬晶圓廠(chǎng)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這一細分領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，拓展新的市場(chǎng)成長(cháng)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)現更好地發(fā)展。