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架构设计插入器

在今天的设计中加入干涉者并不容易,但随着皱纹逐渐消除,新的工具、方法和标准将使其面向大众。

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插入器执行与插入器类似的功能印刷电路板(PCB),但当插入器在包内移动时,影响是显著的。

遗留PCB和IC设计工具都无法完全执行必要的设计和分析任务。但是,也许更重要的是,为设计添加插入器可能需要组织变化。今天,前沿公司已经表明,插入者可以工作,使他们能够构建更大,更能力的系统,而不是如果他们依靠技术缩放。

这个插入器是一个基本要素2.5D三维包装技术和未来将使钟形市场发展。“我们可以将2.5D包装作为一种多芯片(让)设计,该设计使用插入器作为芯片(LETS)和有机BGA / LGA包之间的互连的中间级别,”John Park,产品管理组总监John Park说IC包装和跨平台解决方案抑扬顿挫. “插入器材料可以是硅,具有在矽通过(tsv),有机再分配层(RDL或玻璃。在硅中介体的情况下,它们可以是被动或有源的(器件层)。“

插入器执行的任务是在不同芯片/小芯片中电连接信号。“通常,插入器之间提供桥梁高速公路专用集成电路该公司的信号和电源完整性应用工程师Yun Chase说西门子EDA“它要求高速数据必须通过PHY网桥进行通信,因此最小化PHY之间的信号层转换至关重要。”

插入器减少了包装外发出的信号数量。“东西越近,寄生性越少,所以你可能认为设计和分析会更简单,”该公司的产品营销经理曼努埃尔·莫塔(Manuel Mota)说新思科技. “但请考虑高带宽内存(HBM.).它使用并行接口进行模对模(D2D)通信。信号的数量和从一边到另一边的颠簸的数量要比你使用某种序列化在包之外时多得多。DDR内存接口通常比你在HBM类型的内存上找到的针要少。所以当你进入这个非常拥挤的干扰物并在它上面死去时,复杂性就有了不同的方面。”

此外,这样做是为了提高性能和降低功耗。“插入器主要用于降低在不同芯片之间传输大量数据所需的功率,”美国宇航局高级系统集成小组组长兼高效电子部门负责人安迪·海尼格(Andy Heinig)说Fraunhofer IIS的自适应系统工程部. “只有当信号摆动降低到最低水平时,才能实现功率降低,因为信号摆动高度与功耗之间存在很强的相关性。这意味着信号完整性问题在插入器设计中非常重要。”

插入器的加入将封装、电路板设计、芯片设计以及可能最重要的系统设计元素结合在一起。“这不是一个串行过程,在这个过程中,你设计芯片,然后再考虑封装和插入器,”Synopsys的Mota说。“插入器是系统设计的核心,它需要知道进入它的模具。反之亦然。它需要整个系统的并行方法或共同设计。不同的团队需要紧密合作,他们需要有一种共同的语言。”

是什么让它与PCB不同?“插入器设计可能与复杂的PCB设计类似,但具有TSV和3D集成的先进硅中介体的复杂性远远超过典型PCB在典型的PCB上所做的,”多物理系统分析的产品管理组总监Brad Griffin说,节奏。“设计和分析工具需要支持更大的数据集,并且需要使用多个计算发动机并行地依赖大型模拟。因此,虽然可能存在相似之处,但这是一个全新的世界。“

设计流
现在流行的一个词是左移,而在将插入器集成到开发流程中时,这当然是正确的。“许多问题对于如何构建这个多芯片模块的结构至关重要,您需要在早期回答一些问题,”该公司产品营销总监马克·斯温宁(Marc Swinnen)表示Ansys。“热问题是显而易见的。你不想拿两个非常热的筹码并将它们堆叠在一起。哪些是热芯片,那些芯片中的热点在哪里?然后,您需要考虑配电网络和什么类型的电压降。在锁定架构之前,所有这些都需要计划。它在原型阶段,发生了很多这一点,并且很多物理被拉到左侧(左转)。这必须很早就分析。“

热是一个越来越大的挑战,因为这意味着单个模具即使没有物理或电气连接也会耦合。这使得分析的划分有问题。它们的紧密接近也会增加模具之间其他形式干扰的可能性。Synopsys产品营销总监肯尼思·拉森(Kenneth Larsen)表示:“有些人正在考虑将光电子技术集成到插入器中。它们噪音很大。系统中存在大量噪音,这会影响整个系统的性能。”

有几个问题需要处理。Siemens的Chase说:“早期原型设计/规划,结合预测信号完整性(SI)/功率完整性(PI)和使用系统技术协同优化(STCO)技术的热分析(见图1),是防止实施错误布局方案的关键。”“PCB和基于封装的工作流程的架构是为了管理较长的信号通道和非曼哈顿几何图形,这些图形通过多个基片,如主板、子板和基于背板的系统。”

图1:集成插入器时需要进行协同优化。来源:西门子EDA

图1:集成插入器时需要进行协同优化。来源:西门子EDA

但它们可能会给现有的PCB工具带来挑战。Synopsys公司的Larsen说:“一些老工具在扩展到1万到2万个连接时存在问题,而我们发现插入器的连通性非常大。”“我们谈论的是数十万甚至数百万的连接,这超出了许多工具的范围。你可能需要考虑一个组合,你使用集成电路工具,并做他们擅长的事情,例如处理这些尺度,通过分析,优化,并将其集成到一个更传统的包装设计中。组织需要考虑何时与架构师、封装主管和硅主管讨论所需的合适工具。”

这并不理想。西门子EDA高密度高级包装产品营销经理基思·费尔顿(Keith Felton)表示:“设计流程将看起来像一个混合体,既不是鱼也不是鸟,因为我们正在汇聚领域。”。“PCB工作流程能够实现多基板信号路径,并能够管理不同的基板材料和堆叠。有硅或类硅的材料和结构,对于这些IC设计工具,它们最适合提取和建模。”

在新工具完全具备能力之前,它会给组织带来挑战。“这不是一个具体的技术问题,而是一个组织问题,”Ansys的Swinnen说。“这项新技术不适合他们现有的组织。有些公司从两个方面来处理这个问题。首先,有些公司更以PCB为中心,从封装和PCB方面来处理它。他们现在正在增加更多关于芯片的细节。但你有其他公司更以芯片为中心,他们认为从芯片方面添加更多的封装和PCB类型信息。这两个世界正在拉近。”

在流程中还需要其他方面。Mota说:“你可能有数千个信号从一个骰子传递到另一个骰子,然后就会发生故障。”“你怎么处理?”你用冗余来做。我们已经看到类似于HBI或AIB和HBM的并行接口。你需要有冗余以及在组装后进行测试和维修的能力。这给了你一些额外的健壮性。”

新工具是提高采用率的一个重要因素。“EDA工具有一部分负担要承担,因为它们应该使这变得更容易,”斯温宁说传统上,EDA工具在PCB和芯片之间是相当独立的。这将需要专门针对3D IC的新一代工具。现有工具在处理这一问题的方式上有些短视,需要更广泛的范围。”

这些工具还需要进入新的领域。“硅插入器的物理尺寸通常限制在1.5倍或2倍的十字线尺寸,”Park说。“因此,公司希望评估将一些芯片从插入器上移开并移入层压BGA。他们需要对性能进行电气验证,例如放置高速驱动器。”串行解串在层压BGA上和在插入物上。这确实是一个系统层面的挑战。”

垂直整合
成功使用插入器的公司碰巧也是垂直整合的公司,可以管理流程中的一切。他们的任务是优化整个系统。

我们也看到了一个案例,HBM,必要的标准已经到位,这使得内存的设计和制造与芯片和插入器的设计分离开来。铸造厂还试图提供经过验证的可重复使用的插入器设计,以降低采用这种技术的风险。

但是在行业中有一种愿望完全打破这个。这将允许芯片设计由一个或多个公司进行,并由不同公司进行的插入器设计和集成。

这不仅需要在工具上进行更多的标准化,还需要在方法和相互连接上进行更多的标准化。斯威嫩说:“如果你要制造一种可以用于任何干扰物的通用芯片,就必须有标准。”“你需要一些守护带是内置的。例如,您可以定义电压降允许。pcb也有同样的问题。你的电压必须在一定的水平内,甚至让单个芯片正常工作。”

如果中间体和包装市场最终看起来像今天的PCB市场,集成的概念就会改变。Larsen说:“芯片的一个有趣趋势是,你可以为一个市场设计一个具有一定容量的系统,然后重复使用大部分封装——也许只移除一个芯片就可以满足不同市场的需求。”“这为复杂性带来了一个新的维度。你可能有一个插入器被用于多个市场,这意味着你要根据终端市场插入不同的模具。”

需要新的工具和新的模型。Fraunhofer的Heinig说:“勘探阶段的信号完整性问题是由于没有预先定义的互连模型造成的。”“在验证阶段,没有完整路径寄生提取方法。目前,市场上还没有真正的芯片封装优化协同设计方法。此外,用于早期设计探索的工具是不可用的,但却是必要的。”

结论
今天存在的工具提供了足够的能力来实现复杂,垂直综合的公司,以使一切正常工作。成为一个新的工具,方法,模型和标准来成为主流技术,并将通过整个生态系统共同努力。已经证明它可以完成,现在需要扩大为更普遍的方法来扩大。

大部分工作正在进行中,当与插入器相关的成本降低时,它将带来新一代高性能、低功耗的设备,可以随意定制。这是摩尔公司的一个重要组成部分,而芯片的崛起将大大降低与这种设计相关的NRE成本。这这是本次会议的目标美国国防部高级研究计划局2017年启动的通用异构集成和知识产权重用策略(CHIPS)计划,可能正在接近现实。

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