為什么選擇3D，3D芯片設(shè)計要點分析

創(chuàng)建真正的 3D 設(shè)計被證明比 2.5D 復雜和困難得多，需要在技術(shù)和工具方面進行重大創(chuàng)新。

雖然已經(jīng)有很多關(guān)于 3D 設(shè)計的討論，但對于 3D 的含義有多種解釋。然而，這不僅僅是語義，因為每個封裝選項都需要不同的設(shè)計方法和技術(shù)。隨著芯片進入真正的3D-IC領(lǐng)域，在邏輯之上堆疊邏輯或存儲器，它們的設(shè)計、制造以及最終的成品率和測試變得更具挑戰(zhàn)性。

“一開始，代工廠開始提供多芯片封裝，他們開始使用 3D-IC 這個術(shù)語，”Cadence 定制 IC 和 PCB 部門產(chǎn)品管理組總監(jiān) John Park說。“但它指的不僅僅是硅堆疊和中介層。它還包括高密度 RDL 扇出。這是一個術(shù)語，用于對許多芯片、主要是基于代工廠的封裝技術(shù)進行分組。”

已經(jīng)有幾次嘗試來整理這個術(shù)語?！拔覀冋谂c imec 保持一致，后者將 3D 分為四個部分，”EV Group 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Thomas Uhrmann 說?！罢嬲?3D 是晶圓以高度集成的方式堆疊在一起。第二組是 3D 片上系統(tǒng) (SoC) 集成，其中您可能有一個背面配電層，或一個晶圓到晶圓的存儲器堆棧。第三組包括 2.5D 和硅中介層。最后一個是 3D 系統(tǒng)級封裝 (SiP)，其中接觸間距約為 700 微米，包括扇出晶圓級封裝。差異化很有趣，因為他們定義了觸點間距或集成密度的差異化?！?/p>

這提供了物理差異，但差異也可以從其他方面來看?！坝腥さ?3D 類型要么是邏輯對邏輯，要么是顯著的內(nèi)存對邏輯，” Synopsys研究員 Rob Aitken 說?！斑@兩個都是起點，但是你可以開始堆疊其他隨機的東西。我會說 HBM 是 3D 堆棧，但它們是非常具體的 3D 堆棧?！?/p>

這些封裝方法中的每一種的流程都是不同的。“多年來，2.5D 和 3D 一直被用于支持傳感器應(yīng)用之類的東西，”西門子 EDA 高級封裝解決方案總監(jiān) Tony Mastroianni說?！暗麄儾皇褂米詣硬季植季€流程，這就是為什么我喜歡使用‘真正的 3D’這個詞?！?今天的堆疊芯片技術(shù)依賴于人們手動進行規(guī)劃。您正在設(shè)計每個芯片，以便它們對接在一起，但工具并沒有這樣做。分區(qū)和詳細的引腳規(guī)劃是手動過程?！?/p>

真正的 3D 需要重新考慮整個流程?！盀榱藢?SoC 有效地實現(xiàn)為 2.5D 系統(tǒng)，例如避免良率問題或?qū)崿F(xiàn)具有更多晶體管的更大系統(tǒng)，可以使用現(xiàn)有架構(gòu)，” Fraunhofer IIS 工程高效電子部門負責人 Andy Heinig 說?！爸恍枰獙崿F(xiàn)一個芯片到芯片的接口。但只有使用新概念和架構(gòu)，才能發(fā)揮真正 3D 集成的優(yōu)勢?！?/p>

為什么選擇 3D

3D的最大好處之一是縮短了距離。Synopsys 的 Aitken 說：“你可以證明存在二的平方根效應(yīng)?！?“對于這個堆疊物體中的所有距離，它們變成了 2D 變體中的 0.7。結(jié)果，它們在布線部分消耗的功率現(xiàn)在是以前的 0.7 左右，因為電容減小了?！?/p>

影響可能比這更大。“信號傳輸過程中會產(chǎn)生大量熱量，”EV Group 的 Uhrmann 說?！皩τ?CMOS，你對某些東西進行充電和放電以存儲然后傳遞信息?？s小和堆疊die將使您能夠使其更小，因此可以在三維空間中傳遞信息。但在 3D 中，它們之間可能只有一個緩沖區(qū)，而不是大型 PHY 和通信協(xié)議?！?/p>

尺寸有兩個優(yōu)勢——良率和占地面積。“假設(shè)類似數(shù)量的邏輯分布在多個芯片上，較小對象的連V領(lǐng)將高于一個較大對象的良率，”Aitken 說?！耙虼耍梢越档鸵欢ǔ潭鹊某杀?。當然，你正在增加其他成本，但這些成本會隨著時間的推移而下降。”

從 2D 封裝的角度來看，堆疊芯片可以顯著減少面積。“通過堆疊，我可以在同一區(qū)域獲得三倍的邏輯數(shù)量，”西門子的 Mastroianni 說?！澳阕罱K會得到更小的足跡和更多的邏輯。所以你可以在那個區(qū)域安裝更多的馬力，如果你有區(qū)域限制，它可能會降低系統(tǒng)成本。”

異構(gòu)性可能是另一個好處。“3D 集成的異構(gòu)技術(shù)架構(gòu)已經(jīng)成熟，”Lightelligence 工程副總裁 Maurice Steinman 說。“考慮混合技術(shù)組件，例如光子 IC 及其配套電子 IC。對于其中一些集成，沒有其他方法可以在不犧牲大量功率或性能的情況下提供所需的數(shù)千個芯片到芯片互連。”

混合技術(shù)仍然主要是未知領(lǐng)域?！叭绻脑O(shè)計不適合reticle尺寸，那么為了能夠構(gòu)建更多的門，您需要使用真正的 3D，而這可能會保留在相同的技術(shù)中，”Mastroianni 說。“但在某些情況下，你可能想要混合搭配。也許你有一個你真正想要的前沿技術(shù)計算引擎，但其余的東西有很多控制，你可以在一個不那么激進的制程節(jié)點上做?！?/p>

這變成了一個集成挑戰(zhàn)。Cadence 數(shù)字與簽核部產(chǎn)品管理組總監(jiān) Vinay Patwardhan 表示：“我們最近發(fā)現(xiàn)，純邏輯內(nèi)存配置適用于某些類型的客戶，他們正試圖解決片上內(nèi)存墻問題。” “但是很多客戶希望在兩層都有邏輯。例如，即使頂層芯片上只有內(nèi)存，內(nèi)存 BiST 邏輯或與內(nèi)存一起使用的測試邏輯也需要位于該芯片上。頂層裸片需要一些邏輯。”

物理層次結(jié)構(gòu)

將芯片集成到 3D 堆棧中以及對該堆棧進行封裝涉及多種技術(shù)，如圖 1 所示。

物理尺寸很重要?！皩τ谧罱K的 3D 集成，你談?wù)摰氖?14 納米間距，基本上就是今天的晶體管，”Uhrmann 說?！叭绻阏?wù)摰氖切⌒酒?，它們是功能?IP 塊，那么你就在微米間距的范圍內(nèi)。晶體管堆疊和小芯片集成之間存在接近一個數(shù)量級。當您使用 3D 小芯片、高度集成的具有微米間距的裸片形成 3D 封裝時，您無法將微米間距連接到外部世界。你仍然需要擁有封裝技術(shù)才能使布線越來越粗，所以你最終會在板級上達到 400 多微米?！?/p>

間距（pitch）定義了集成過程?！爱斘覀兎庋b多個芯片或多個小芯片時，封裝存在一些很大的差異，”Cadence 的 Park 說?！靶⌒酒ǔＪ褂盟^的基于焊料的連接。它們與微凸塊和 C4 連接，我們使用通常約 45 微米或更大的連接來連接它們。這也創(chuàng)建了一個封裝層次結(jié)構(gòu)，因為我們經(jīng)常使用黑盒、每個芯片或小芯片的抽象表示，而封裝設(shè)計師負責將它們正確連接起來?！?/p>

這通常需要不同的工具?！斑@是一個多尺度問題，也意味著多物理問題，” Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說。“當你從芯片上的納米到封裝上的毫米再到 3D-IC 內(nèi)插器（interposer）上的厘米時，你跨越了六個數(shù)量級。傳統(tǒng)上，這些由三組不同的工具處理。現(xiàn)在對于 3D-IC，這些都需要整合成一個?！?/p>

團隊分裂也會導致問題?！按蠖鄶?shù)公司都有 ASIC 設(shè)計的設(shè)計團隊，以及獨立的內(nèi)部封裝設(shè)計團隊，”Park 補充道?！肮瓒询B和 3D 模糊了封裝工程師負責的工作與芯片設(shè)計團隊之間的界限。我們比以往任何時候都更多地看到，兩個團隊在一個房間里從早期階段就開始規(guī)劃項目。封裝和芯片領(lǐng)域之間的協(xié)同設(shè)計有很多要求?！?/p>

在一些公司中，內(nèi)插器也被視為封裝內(nèi)的 PCB，并由另一個團隊處理?！?D 芯片將執(zhí)行一些非常先進的類型功能，但您不一定能夠通過堆疊芯片來構(gòu)建整個系統(tǒng)和封裝，”Mastroianni 說?！澳銓阉c中介層上的其他裸片結(jié)合起來。也許那里會有一個標準處理器，或者可能有多個 3D-IC 集成在一個中介層上。我認為 3D 不會取代 2.5D。它們將是互補的。一些應(yīng)用程序?qū)⑹钦嬲?3D，但最終會有一些小芯片的生態(tài)系統(tǒng)，你將能夠混合和匹配，并在 2.5D 封裝中做到這一點?！?/p>

只要存在層次結(jié)構(gòu)，就可以將事物分開，只要存在覆蓋邊界的工具。“我們必須以層次結(jié)構(gòu)形式表示事物，因為您不再設(shè)計單個單片芯片，”Park 說?！澳阏谠O(shè)計一個系統(tǒng)，所以有一些新的東西開始發(fā)揮作用，比如系統(tǒng) LVS（layout versus schematic）。hybrid bonds是否全部對齊？從頂部裸片到底部裸片的連接是否如您所愿？有一個層次結(jié)構(gòu)只是因為你有一個層次結(jié)構(gòu)代表芯片，你有一個層次結(jié)構(gòu)代表系統(tǒng)級設(shè)計。設(shè)計本質(zhì)上是分層的，因為它是一個系統(tǒng)級設(shè)計，其中嵌入了芯片級設(shè)計?！?/p>

邏輯層次

層次結(jié)構(gòu)在任何復雜的設(shè)計中都是必不可少的，但 3D 為其添加了一個有趣的轉(zhuǎn)折。

“當您為大型設(shè)計進行傳統(tǒng)的布局布線時，您使用的是分層設(shè)計方法，”Mastroianni 說?！澳銓⒃O(shè)計分解成塊，這些塊通過布局布線，然后你進行頂層集成。對于 3D，我們基本上可以使用相同的過程，但我們要添加另一個層次結(jié)構(gòu)。考慮一個 90 億門的設(shè)計，我們將其分成三個芯片，每個芯片有 30 億個門。本質(zhì)上，您只需要指定哪些塊將放在芯片 1 上，哪些塊將放在芯片 2 上，以及哪些塊將放在芯片 3 上。至少在短期內(nèi)，工具無法自動找出將哪個邏輯放在哪里，并在該級別進行真正的 3D 全局布局布線。

需要一些新工具來驗證芯片到芯片的連接性?！拔覀兺ǔ褂脴藴实挠|發(fā)器到觸發(fā)器連接，”Park 說?！八晕覀冃枰?STA 工具、時序驅(qū)動的布線、時序驅(qū)動的布局，而不是分隔設(shè)備的緩沖區(qū)，它只是一個 hybrid bond。這只是一個小的寄生值發(fā)揮作用。為此，我們不能像傳統(tǒng)封裝那樣在抽象層面上工作，將它們視為黑盒。我們必須在完整的細節(jié)級別表示每個芯片或小芯片——如果是模擬設(shè)計，則為完整的晶體管級別，如果是數(shù)字設(shè)計，則為標準單元宏級別——因為我們必須能夠?qū)λ袃?nèi)容進行建模。不是從 2D 角度對所有事物進行建模，而是必須通過這種新的垂直方向整合來完成。”

這可能需要妥協(xié)?！澳梢詫壿嫸询B對象進行真正的 3D 簽核，或者您可以直接說，我將只運行芯片之間兩個反相器長度的路徑，”Aitken 說。“然后無論他們在哪個角落，他們都會排成一行，我不必擔心?！?/p>

人們普遍認為，扁平化不是一種選擇?！熬蛿?shù)據(jù)量而言，這對任何 EDA 工具來說都是一個重大挑戰(zhàn)，”Cadence 的 Patwardhan 說?！靶枰恍┯行У某橄蠹夹g(shù)，而層次結(jié)構(gòu)定義是第一個流行且有效的東西。我們已經(jīng)弄清楚，使用設(shè)計層次結(jié)構(gòu)以及對設(shè)計進行分區(qū)，如何在分區(qū)設(shè)計上運行分析?？梢宰龀瞿男┘僭O(shè)并且仍然具有與簽核一樣好的準確性。它會發(fā)生，就像在 2D SoC 中發(fā)生的那樣。較小的設(shè)計將首先建立完整的平坦運行和所需的精度水平（測量與建模）。隨著我們的前進，隨著更大的芯片以硅堆棧格式完成，EDA、OSAT、代工廠必須在分層方法和扁平方法之間進行驗證，以保持一定的裕度。如果可用，那么您可以輕松地說您的完整平坦跑步看起來是一樣的。這是 3D-IC 設(shè)計中非常重要的方法，它不會一成不變?！?/p>

當全 3D 布局布線成為可能時，這會變得更加困難?！敖裉熳畎踩幕卮鹗?，‘我們不要分塊（block）。讓我們將每個塊保留在一個die上，我們將跨越die邊界與他們交談。這樣做，你仍然有一個必須解決的 3D 布局分區(qū)問題，但你的簽核問題更簡單，因為至少你的塊簽核被限制在 2D 空間內(nèi)，”Aitken 說?！皩W術(shù)著作表明，移動方塊并將它們散布在邊界上可以為您帶來額外的好處。但在大多數(shù)情況下，這些論文都忽略了諸如時鐘同步、芯片匹配以及當您嘗試執(zhí)行此類操作時會出現(xiàn)的其他問題。如果你把單獨的塊放在一個芯片上，你仍然有很多問題要解決，但與允許塊在die上遷移相比，它的問題數(shù)量要少。

編輯：黃飛

?