为3d - ic做准备

与会专家:Semiconductor Engineering坐下来讨论3D-IC所需的设计工具和方法的变化，3D-IC总监和产品专家Sooyong Kim在有限元分析软件；Kenneth Larsen，产品营销总监Synopsys对此；Tony Mastroianni，高级包装解决方案总监西门子EDA；和维奈·帕特瓦汉(Vinay Patwardhan)节奏．以下是那次谈话的节选。要查看本讨论的第一部分，请单击在这里．第二部分是在这里．

SE: 3D-IC如何改变设计流程中的各个流程?

金:我们确实需要为不同的阶段建立适当的模型。此外，这需要适用于任何设计人员，而不仅仅是芯片设计人员。它也需要适用于芯片外的设计师。实现这一点的一个关键方面是使用开放的标准格式。这并不适用于所有人，但它将覆盖大多数客户。在垂直堆叠中，涉及到的从来不只是一个供应商。即使是优化模拟，也需要伙伴关系。设计师有他们自己的流程，他们不会因为开发3D-IC而突然改变这些流程。所以我们必须先解决实际问题。在优化阶段之前需要进行分析，如前期功率估计、热估计、应力估计等。 We want to be able to predict that a design will be successful. One of the big problems is resource constraints, because a 3D-IC requires additional work and the design team’s budget is not going to increase significantly. They don’t have time to learn new tools from scratch. And if they’re doing something like thermal simulation, where you have to consider airflow and computational fluid dynamics, they need to be able to run that outside. We also need to make sure this is automated as much as possible. This still needs to be a user-friendly environment, because you need to be able to do analysis for many different types of designs at the same time.

SE:有许多物理效应需要考虑，比如串扰、EMI、热和不均匀老化。我们如何在整个设计过程中捕捉这些问题，因为这些问题在不同的设计之间，甚至在相同设计的用例中都可能有很大的不同?

拉森:您需要为规划做早期热分析，其中可能包括tsv(穿过硅孔)，以帮助应对热挑战。当你刚开始设计时，你需要这样做，一直到叠模时的交叉耦合效应，包括热和时间。您还希望在分析的早期进行提取，并且分析需要比过去更早地开始。客户面临的一个主要挑战是，他们不一定习惯这类分析。降低进入门槛，帮助他们加快学习曲线来进行这类分析是非常重要的。有许多新的影响。热和串扰是需要注意的当你的模具彼此非常接近的时候。我们该怎么处理呢?我们如何吸收它?在一天结束的时候，你必须能够说一个设计是可行的。 There are new challenges that need to be addressed, and some of them are still open.

SE:这些都是我们过去遇到过的挑战，但现在需要在其他芯片或小芯片的背景下同时处理，对吗?

拉森:是的，有交叉耦合。所以现在你需要考虑多个骰子。

金:提取变得更加复杂。假设你有一个骰子和一个介子。有时候人们会根据包装来设计。在这种情况下，你能从他们中间抽出来吗?这是一个问题。现在，如果你有一个并排或背靠背的芯片，中间有晶体管，我们该如何处理耦合呢?这是非常具有挑战性的，不仅仅是关于热量。它还必须与其他分析一起工作。这些工具还没有100%准备好，但我们正在确保最具挑战性的部分首先得到解决，包括是否有任何可行的变通办法。复杂性增加了很多。 A few years ago, there were about 10,000 interconnects. Now there are millions, and in a few years it will be more than a billion. And with coupling, if you have a TSV that is 200 microns away in a 100mm x 100mm chip, there are a lot of interfaces and a couple bonds in between. The errors may be between those TSVs. We’re trying to make sure at least the most challenging ones are addressed first.

Patwardhan有两种设计风格。一种是自下而上，另一种是自上而下。对于自下而上，他们有一个已经在大规模生产的模具，他们试图在它上面安装另一个。所以你用的是同样的程序库，用的是硅，你在上面加了另一个芯片。这就是自下而上的设计。但有一些客户有一个非常大的模具——可能是700毫米²——他们想看看是否可以把它分开，为相同的技术节点做一个堆叠的模具。为此，他们需要查看真正的3D布局，包括顶部模具上的内容和底部模具上的内容，从顶部到底部的路径计时，并查看切换活动和单元格在每个模具上的位置，以免切换部分重叠在一起。这样可以避免散热。对于那种设计，如果你的放置算法要查看库中所有的单元格，也许有些单元格被定义为用于堆叠设计。现在还为时过早。 When you’re doing the building blocks itself of those two dies, maybe you can have some kind of definition in the libraries that this block will be used in a stacked design. That way it can be modeled and characterized accordingly, and the timer will know to take the margins while doing delay calculations. ‘When those cells are there, they’re in a 3D stack going through a hybrid bond to lower tier.’ There is a lot we can do in defining the components of the whole 3D system, providing you know for sure this is going to be built into a 3D stack. EDA algorithms can make use of that information to define the full space, and then do full 3D optimization across dies. As you start defining what designs are going to be 3D, it will be easier to define the flow and address the challenges in the algorithms from an EDA point of view.

图1:理解所有可能的连接和交互，以及它们的最佳平面图，是一个巨大的挑战。来源:节奏

Mastroianni当你开始一个新的设计时，有很多决定要做。是2D还是3D?我是否使用标准化的小芯片?我是扇形散开吗?但一旦你做了这些决定，如果你做了错误的决定，你可能会因为选择了错误的微架构而优化自己。重要的是，即使是左移，也要有高级预测模型来引导你朝正确的方向前进，并弄清楚你将如何构建系统。然后，一旦你有了这些，你就想在整个设计过程中继续对这些模型进行改进。3D的另一个需要考虑的问题是，它主要是硅的位置和路线问题。最终，为了处理热，你需要了解气流或者你是否要使用液体。所以你必须了解这个系统的背景。 That needs to be part of the overall design process. And in some cases, if you’re using fan-out, part of your solution is not silicon. It’s going to be integrated into an organic material. You have to be able to deal with that in terms of extraction and timing analysis. The early predictive modeling — and then continuing refining those models throughout the entire process — will be critical for this to work.

SE:有了多个芯片，你处理变化的能力就变弱了，任何用来处理变化和其他影响的余量都会产生热量。解决方案是什么?

Patwardhan这些早期测试芯片中的一些，以及从中产生的硅数据，将是极其重要的。现在我们是基于我们做2D芯片的方法，并在此基础上增加边际、数学建模或优化。但随着第一批现场测试芯片的完整堆栈出来，我们需要知道使用的是哪种凹凸间距，以及热模型与实际散热的距离有多远。可能需要定义额外的页边距。这对于调整工具是非常重要的，我们需要从铸造厂获得这些数据。

拉森:我同意。对于现有的设计，当你在它们的基础上构建一些东西时，你已经有了大量的学习。当你把你所知道的关于你的设计的所有数据分解成多个模具时，这可能就是行业进入3D的方式。它将利用来自整体芯片的所有知识，然后当您将其拆分时，您将其作为进行优化和调优的起点，以确保新系统在更小的占用空间中仍然可以生成所需的性能。你在2D设计中所做的数据和学习的回环对于你分解骰子非常重要。如今，这是手工完成的。没有自动化将所有生产数据带回设计过程。

金:我们与铸造厂和客户合作，获得各种工具和模拟，并确保跟上速度，以便客户也可以收集信息。在3D-IC的制造方面，还没有一个功能模型，因此存在一些挑战。与铸造厂和制造商合作是极其重要的，从测量温度等数值开始。这需要与铸造厂进行测量和确认，客户必须相信这些是正确的值。他们需要对这个过程有信心，并有能力确保所使用的求解器的测量和方程是正确的，因为边界非常紧张。他们需要确保方程是正确的。

Mastroianni:另一部分是诊断和测试。如果出了问题怎么办?如何调试它?当你有多个芯片堆叠在一起时，你需要确保你有可观察性和可测试性，来弄清楚发生了什么。是“这个”还是“那个”芯片?如果有不同的边界会怎样呢?你需要有这些测试结构，也许可以访问每个模具内部的PVT传感器，这样你就可以弄清楚发生了什么。你甚至可能想要包括修复策略。在装配过程中，你要建立很多连接，在某些情况下还有冗余。HBM内置了一些冗余，所以如果在制造过程中出现问题，你不必扔掉芯片。 That’s something else that needs to be part of the overall design process. It’s important for bring-up for manufacturing test, and also debug, and all of that has to be considered in the overall process.

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