3D芯片的麻煩！

將一個邏輯器件放在一個邏輯器件上面，這看起來是一個相對簡單的操作。但要實現這個，有不少問題需要克服。

真正的3D需要以高度集成的方式將晶圓堆疊在一起。這與2.5D集成非常不同，在2.5D集成中，邏輯並排佈局，由中介器連接。目前有一些中間解決方案，將大量內存堆疊在邏輯上，例如HBM堆棧。

第一個真正的3D-IC即將問世。Cadence 數字與簽核部產品管理部總監 Vinay Patwardhan 表示：“今年下半年將推出一些涉及完整logic-on-logic的測試芯片。” “到明年年中，我們可以期待一些現實的logic-on-logic芯片，特別是具有多個 AI 內核的芯片。這些公司在單個芯片上的面積已經用完瞭。其中許多設計都接近十字線尺寸限制，超過 600 或 700 平方毫米。他們拼命地嘗試為下一代設計采用全 3D 堆棧，因為它不需要太多的架構更改。但是切割和堆疊它們是一種物理變化。”

3D的其他目標可能更遠，比如堆疊異構芯片的能力。Synopsys研究員 Rob Aitken表示:“這需要一個真正的3D佈局器和佈線器在異構堆棧上工作。”“它必須知道，要構建任何穿過裸片的邏輯路徑，你需要兩個獨立的庫。它們很可能是兩個不同的技術節點，但是現有的工具和流程都假定庫是一致的，而這些假設是非常深入的。可以修改工具來處理這個問題，這不是不可想象的。但對工具的一些基本假設需要改變。”

物理問題

從2.5D集成中得到的一個關鍵教訓是，兩個裸片的連接處存在重大的機械問題。電動汽車集團EV Group業務發展總監 Thomas Uhrmann 表示：“隻要將兩個芯片集成在一起，就會產生壓力。” “如果你看看中介層的問題，大部分斷裂點都在連接處，這會產生可靠性問題。您不應該低估處理混合材料所帶來的復雜性。在芯片中間，您可能有底部填充。當你解決它時，它會縮小。這會產生壓力，即使它穩定瞭連接。有瞭 3D 集成，這個問題就轉移到瞭另一個維度。”

在這一點上，這些問題已經相當好地理解瞭。“當你開始混合不同的材料時，會出現更多有趣的異質堆疊問題，”Synopsys的Aitken說。“當你將CMOS堆疊在CMOS上時，即使它是一個不同的節點，它也可能以一種有意義的機械方式表現出來。如果你決定在矽上堆疊一個氮化鎵器件，或者在其他物體上堆疊一層，你可以做很多很酷的事情。但你會開始遇到一些有趣的機械問題，需要大量思考。”

另一個物理問題是熱量。西門子EDA高級封裝解決方案總監Tony Mastroianni表示:“散熱可能是當今最大的挑戰。”“雖然HBM正在做12個die的堆棧，但這是一個非常不同的問題，因為它是內存，你一次隻能啟用其中一個堆棧。他們不是同時開火的。他們不需要擔心熱管理。目前的實際限制可能是三個die，即使這樣也將是一個挑戰。”

但這也不全是壞消息。“3D堆疊通過降低動態功耗提供瞭一點幫助，”Cadence 的 Patwardhan 說。“對於 2.5D，信號必須穿過一個大芯片，然後在中介層上傳輸到另一個芯片，導致導線長度變長。當您有堆疊芯片時，您可以沿 Z 方向佈線，從而減少線長。因此動態功耗，即開關功耗，在 3D堆疊中降低瞭。如果堆疊正確，兩個芯片上的開關元件不會同時開關，您可以有效地使用 3D 堆疊來降低功率或熱足跡。如果兩層同時發生太多開關，熱效應、煙囪效應就會發揮作用。”

這是 3D 技術的一個應用。“如果你相信暗矽效應的概念，即並非所有設備都需要一直處於開啟狀態，那麼你可以在概念上構建一個 3D 堆棧，以一種你能夠管理熱的方式，這樣電力和熱量就不是問題瞭。”“你可以將之前作為大型2D對象執行的內容轉換為較小的3D對象。”

無論如何，都需要及早分析。Cadence 定制 IC 和 PCB 事業部產品管理總監 John Park 表示：“在佈局佈線之前，您必須盡早進行一些熱特性表征。” “你需要能夠輸入描述每個小芯片功耗的參數數據，要使用的模原料，參數化地描述你期望的潛在散熱器的樣子，它正在進行的封裝的尺寸，因為那是系統的自然部分，有助於散發熱量，甚至 PCB 的尺寸也有進一步的幫助。在原型設計階段，你開始考慮什麼東西可以堆疊，甚至在2D世界中，它們彼此之間的距離有多近，基於早期設計知識，哪種類型的芯片或小芯片最適合堆疊。”

芯片間連接

當芯片之間，甚至芯片內部通過中介層進行通信時，高速通信需要復雜的 PHY、SerDes 和通信協議來確保數據的可靠傳輸。“你需要 PHY 用於 2.5D 中的高速接口，因為你要驅動高達兩毫米，”西門子的 Mastroianni 說。“你必須擔心定時和同步以及處理信號完整性問題。但是對於真正的 3D，由於邏輯在納米或微米之外，您可以隻使用常規門，常規標準單元。他們確實有內置瞭一點 ESD 的特殊電池，但基本上您不需要這些 PHY。相反，您隻是讓那些邏輯接口通過常規邏輯進行對話。你必須為時鐘做一些同步，但這是正常的 STA 邏輯類型的東西和時序優化。”

這會產生一些不同的問題。Aitken 說：“你有機會在堆棧之間建立更多的互連，而佈局數萬個 PHY 是行不通的。” “但你確實必須關心這些事情的測試、sign-off。你到底要開什麼車？你會有一個逆變器驅動一塊金屬並連接到另一側的匹配緩沖器嗎？或者你打算放入某種 MUX 以便進行一些測試？或者你會嘗試聯系他們以獲得晶圓探針，還是你會忘記整個事情並且在構建它之前不進行測試？”

設計界正試圖回答這些問題。“OSAT 通常會執行鍵合前和鍵合後測試，”Patwardhan 說。“使用今天的測試技術可能無法直接探測這些小於 10 微米的微凸塊。許多測試通過跨兩個芯片定義的測試路徑進行。他們插入可以運行開路測試的可編程電子保險絲。我們必須確保無論我們做什麼測試插入，從 EDA 的角度來看，我們都遵循新興的IEEE 1838標準，並確保所有這些檢查都可以通過完整的 EDA 流程進行。隨著這些混合鍵合變得更加主流，測試將會發展。”

模型和自動化

3D-IC 將需要對現有 EDA 工具和流程進行一些重大升級。

“我們稱它們為三個 M，” Ansys產品營銷總監 Marc Swinnen 說。“這是多物理（multi-physics）、多規模（multi-scale）和多組織multi-organizational 的挑戰：

在熱、機電、機械和電磁等方面存在多物理場挑戰。這些是傳統上芯片設計人員不必擔心太多的問題，除瞭 RF 人員。

當您從芯片上的納米級到封裝上的毫米級再到 3D-IC 中介層上的厘米級時，會遇到多尺度挑戰。那是您涵蓋的六個數量級。傳統上，這些由三組不同的工具處理。對於 3D-IC，這些都需要整合為一個。

它已成為一個多組織的問題。行業中確實存在這方面的技能，但它們有時分散在不同的團隊、不同的公司中。對於 3D-IC 公司，他們將不得不重新構建他們的組織架構，以匯集一個團隊來囊括解決此問題所需的所有專業知識。你不能把它扔到某個偏遠的團隊，然後再扔給世界各地的另一個團隊，然後再返回給設計團隊。”

許多問題是對目前使用的問題的擴展，可能會分階段引入。“第一階段可能會支持同質裸片，”Mastroianni 說。“所有裸片都將采用相同的技術。這讓它變得更容易一些，但最終要真正利用這項技術，您希望能夠利用不同的工藝技術、不同的節點。這將需要通用數據模型才能執行時序收斂。此外，當所有設備不在同一個芯片上時，您不能假設它們都快快或慢慢。你必須處理那個。片上變化是一種統計技術，您可以在其中對時序變化的程度做出一些假設。它基本上是您在設計中構建的開銷餘量。但是如果你有不同的芯片是在不同的運行中制造的，你不能假設任何相關性，它們是完全不相關的。所以，你必須做更極端的角優化分析。”

不僅佈局和佈線工具必須針對 Z 維度重新設計，它們還必須具有更多的熱感知能力。“我們已經有瞭活動感知的 2D 設計工具，”Patwardhan 說。“佈局器和其他工具能夠獲取 VCD 文件，代表最壞的情況活動。您可以從模擬中聚合它，然後以熱點分散的方式佈局單元格。這是一個迭代流程，我們先進行佈局，進行裁剪，然後在時鐘樹綜合之後，我們可以使用一些活動數據來優化佈局。這是基於功率密度的流量。這可以擴展到 3D。我們正在研究這個並有一些早期的原型，我們可以在其中獲取活動信息，然後使用早期的熱分析，基於您的靜態電流或全動態活動，並基於此決定 3D 佈局。我們現在增強瞭 2D 佈局引擎，我們必須擴展它以采用 Z 維度，它是一個多目標佈局器。熱效應可以直接建模為佈局器的目標。”

在早期工具中可能會看到的另一個簡化是限制在何處進行 Z 維度分區。如果宏單元或 IP 塊保留在單個裸片上，則可以在裸片內對它們進行簽核，而不必等到整個堆棧在邏輯上組裝完畢。

“有人在談論取消這一限制，”帕克說。“他們稱之為macro-folding。在模擬世界中，他們稱之為circuit folding。如果在平面意義上你有一個非常小的外形，但它們有一些垂直空間，有人在談論折疊宏在彼此之上。我不知道實際生產中的任何設計，但肯定有一些我們的客戶在談論這種能力。通過折疊，你可以使它在平面意義上縮小一半，在垂直意義上稍微厚一點。”

結論

當從一個技術節點遷移到另一個技術節點時，總是需要註意新的影響，並設置新的限制或局限性以確保輕松簽核。從 2.5D 到 3D 的遷移使那些以前的遷移看起來很簡單。但3D-IC 正在顛覆工具、模型、流程甚至組織的方方面面，這些問題還需要行業的共同努力。