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

雖然已經(jīng)有很多關(guān)于 3D 設(shè)計(jì)的討論，但對(duì)于 3D 的含義有多種解釋。然而，這不僅僅是語(yǔ)義，因?yàn)槊總€(gè)封裝選項(xiàng)都需要不同的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)。隨著芯片進(jìn)入真正的3D-IC領(lǐng)域，在邏輯之上堆疊邏輯或存儲(chǔ)器，它們的設(shè)計(jì)、制造以及最終的成品率和測(cè)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(gè)術(shù)語(yǔ)，”Cadence 定制 IC 和 PCB 部門產(chǎn)品管理組總監(jiān) John Park說(shuō)。“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(gè)術(shù)語(yǔ)，用于對(duì)許多芯片、主要是基于代工廠的封裝技術(shù)進(jìn)行分組。”

已經(jīng)有幾次嘗試來(lái)整理這個(gè)術(shù)語(yǔ)。“我們正在與 imec 保持一致，后者將 3D 分為四個(gè)部分，”EV Group 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Thomas Uhrmann 說(shuō)。“真正的 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(gè)背面配電層，或一個(gè)晶圓到晶圓的存儲(chǔ)器堆棧。第三組包括 2.5D 和硅中介層。最后一個(gè)是 3D 系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)，其中接觸間距約為 700 微米，包括扇出晶圓級(jí)封裝。差異化很有趣，因?yàn)樗麄兌x了觸點(diǎn)間距或集成密度的差異化。”

這提供了物理差異，但差異也可以從其他方面來(lái)看。“有趣的 3D 類型要么是邏輯對(duì)邏輯，要么是顯著的內(nèi)存對(duì)邏輯，” Synopsys研究員 Rob Aitken 說(shuō)。“這兩個(gè)都是起點(diǎn)，但是你可以開始堆疊其他隨機(jī)的東西。我會(huì)說(shuō) HBM 是 3D 堆棧，但它們是非常具體的 3D 堆棧。”

這些封裝方法中的每一種的流程都是不同的。“多年來(lái)，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(jí)封裝解決方案總監(jiān) Tony Mastroianni說(shuō)。“但他們不使用自動(dòng)布局布線流程，這就是為什么我喜歡使用‘真正的 3D’這個(gè)詞。” 今天的堆疊芯片技術(shù)依賴于人們手動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。您正在設(shè)計(jì)每個(gè)芯片，以便它們對(duì)接在一起，但工具并沒(méi)有這樣做。分區(qū)和詳細(xì)的引腳規(guī)劃是手動(dòng)過(guò)程。”

真正的 3D 需要重新考慮整個(gè)流程。“為了將 SoC 有效地實(shí)現(xiàn)為 2.5D 系統(tǒng)，例如避免良率問(wèn)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(fù)責(zé)人 Andy Heinig 說(shuō)。“只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(shì)。”

為什么選擇 3D

3D的最大好處之一是縮短了距離。Synopsys 的 Aitken 說(shuō)：“你可以證明存在二的平方根效應(yīng)。” “對(duì)于這個(gè)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?cè)诓季€部分消耗的功率現(xiàn)在是以前的 0.7 左右，因?yàn)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/電容/" target="_blank">電容減小了。”

影響可能比這更大。“信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，”EV Group 的 Uhrmann 說(shuō)。“對(duì)于 CMOS，你對(duì)某些東西進(jìn)行充電和放電以存儲(chǔ)然后傳遞信息。縮小和堆疊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(gè)緩沖區(qū)，而不是大型 PHY 和通信協(xié)議。”

尺寸有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)——良率和占地面積。“假設(shè)類似數(shù)量的邏輯分布在多個(gè)芯片上，較小對(duì)象的連V領(lǐng)將高于一個(gè)較大對(duì)象的良率，”Aitken 說(shuō)。“因此，您可以降低一定程度的成本。當(dāng)然，你正在增加其他成本，但這些成本會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。”

從 2D 封裝的角度來(lái)看，堆疊芯片可以顯著減少面積。“通過(guò)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(shuō)。“你最終會(huì)得到更小的足跡和更多的邏輯。所以你可以在那個(gè)區(qū)域安裝更多的馬力，如果你有區(qū)域限制，它可能會(huì)降低系統(tǒng)成本。”

異構(gòu)性可能是另一個(gè)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(shuō)。“考慮混合技術(shù)組件，例如光子 IC 及其配套電子 IC。對(duì)于其中一些集成，沒(méi)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(gè)芯片到芯片互連。”

混合技術(shù)仍然主要是未知領(lǐng)域。“如果您的設(shè)計(jì)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(huì)保留在相同的技術(shù)中，”Mastroianni 說(shuō)。“但在某些情況下，你可能想要混合搭配。也許你有一個(gè)你真正想要的前沿技術(shù)計(jì)算引擎，但其余的東西有很多控制，你可以在一個(gè)不那么激進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)上做。”

這變成了一個(gè)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(wèn)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(cè)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(duì)該堆棧進(jìn)行封裝涉及多種技術(shù)，如圖 1 所示。

物理尺寸很重要。“對(duì)于最終的 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(shuō)。“如果你談?wù)摰氖切⌒酒鼈兪枪δ苄?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(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)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(shí)，您無(wú)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(lái)越粗，所以你最終會(huì)在板級(jí)上達(dá)到 400 多微米。”

間距（pitch）定義了集成過(guò)程。“當(dāng)我們封裝多個(gè)芯片或多個(gè)小芯片時(shí)，封裝存在一些很大的差異，”Cadence 的 Park 說(shuō)。“小芯片通常使用所謂的基于焊料的連接。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(lái)連接它們。這也創(chuàng)建了一個(gè)封裝層次結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲覀兘?jīng)常使用黑盒、每個(gè)芯片或小芯片的抽象表示，而封裝設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)將它們正確連接起來(lái)。”

這通常需要不同的工具。“這是一個(gè)多尺度問(wèn)題，也意味著多物理問(wèn)題，” Ansys產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Marc Swinnen 說(shuō)。“當(dāng)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(shí)，你跨越了六個(gè)數(shù)量級(jí)。傳統(tǒng)上，這些由三組不同的工具處理。現(xiàn)在對(duì)于 3D-IC，這些都需要整合成一個(gè)。”

團(tuán)隊(duì)分裂也會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。“大多數(shù)公司都有 ASIC 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，以及獨(dú)立的內(nèi)部封裝設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，”Park 補(bǔ)充道。“硅堆疊和 3D 模糊了封裝工程師負(fù)責(zé)的工作與芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的界限。我們比以往任何時(shí)候都更多地看到，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在一個(gè)房間里從早期階段就開始規(guī)劃項(xiàng)目。封裝和芯片領(lǐng)域之間的協(xié)同設(shè)計(jì)有很多要求。”

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(gè)團(tuán)隊(duì)處理。“3D 芯片將執(zhí)行一些非常先進(jìn)的類型功能，但您不一定能夠通過(guò)堆疊芯片來(lái)構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)和封裝，”Mastroianni 說(shuō)。“你將把它與中介層上的其他裸片結(jié)合起來(lái)。也許那里會(huì)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)處理器，或者可能有多個(gè) 3D-IC 集成在一個(gè)中介層上。我認(rèn)為 3D 不會(huì)取代 2.5D。它們將是互補(bǔ)的。一些應(yīng)用程序?qū)⑹钦嬲?3D，但最終會(huì)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(diǎn)。”

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?yàn)槟辉僭O(shè)計(jì)單個(gè)單片芯片，”Park 說(shuō)。“你正在設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)齊？從頂部裸片到底部裸片的連接是否如您所愿？有一個(gè)層次結(jié)構(gòu)只是因?yàn)槟阌幸粋€(gè)層次結(jié)構(gòu)代表芯片，你有一個(gè)層次結(jié)構(gòu)代表系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)本質(zhì)上是分層的，因?yàn)樗且粋€(gè)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，其中嵌入了芯片級(jí)設(shè)計(jì)。”

邏輯層次

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

“當(dāng)您為大型設(shè)計(jì)進(jìn)行傳統(tǒng)的布局布線時(shí)，您使用的是分層設(shè)計(jì)方法，”Mastroianni 說(shuō)。“你將設(shè)計(jì)分解成塊，這些塊通過(guò)布局布線，然后你進(jìn)行頂層集成。對(duì)于 3D，我們基本上可以使用相同的過(guò)程，但我們要添加另一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。考慮一個(gè) 90 億門的設(shè)計(jì)，我們將其分成三個(gè)芯片，每個(gè)芯片有 30 億個(gè)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(wú)法自動(dòng)找出將哪個(gè)邏輯放在哪里，并在該級(jí)別進(jìn)行真正的 3D 全局布局布線。

需要一些新工具來(lái)驗(yàn)證芯片到芯片的連接性。“我們通常會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)器到觸發(fā)器連接，”Park 說(shuō)。“所以我們需要 STA 工具、時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布線、時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局，而不是分隔設(shè)備的緩沖區(qū)，它只是一個(gè) hybrid bond。這只是一個(gè)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(xì)節(jié)級(jí)別表示每個(gè)芯片或小芯片——如果是模擬設(shè)計(jì)，則為完整的晶體管級(jí)別，如果是數(shù)字設(shè)計(jì)，則為標(biāo)準(zhǔn)單元宏級(jí)別——因?yàn)槲覀儽仨毮軌驅(qū)λ袃?nèi)容進(jìn)行建模。不是從 2D 角度對(duì)所有事物進(jìn)行建模，而是必須通過(guò)這種新的垂直方向整合來(lái)完成。”

這可能需要妥協(xié)。“您可以對(duì)邏輯堆疊對(duì)象進(jìn)行真正的 3D 簽核，或者您可以直接說(shuō)，我將只運(yùn)行芯片之間兩個(gè)反相器長(zhǎng)度的路徑，”Aitken 說(shuō)。“然后無(wú)論他們?cè)谀膫€(gè)角落，他們都會(huì)排成一行，我不必?fù)?dān)心。”

人們普遍認(rèn)為，扁平化不是一種選擇。“就數(shù)據(jù)量而言，這對(duì)任何 EDA 工具來(lái)說(shuō)都是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，”Cadence 的 Patwardhan 說(shuō)。“需要一些有效的抽象技術(shù)，而層次結(jié)構(gòu)定義是第一個(gè)流行且有效的東西。我們已經(jīng)弄清楚，使用設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)以及對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分區(qū)，如何在分區(qū)設(shè)計(jì)上運(yùn)行分析。可以做出哪些假設(shè)并且仍然具有與簽核一樣好的準(zhǔn)確性。它會(huì)發(fā)生，就像在 2D SoC 中發(fā)生的那樣。較小的設(shè)計(jì)將首先建立完整的平坦運(yùn)行和所需的精度水平（測(cè)量與建模）。隨著我們的前進(jìn)，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(jìn)行驗(yàn)證，以保持一定的裕度。如果可用，那么您可以輕松地說(shuō)您的完整平坦跑步看起來(lái)是一樣的。這是 3D-IC 設(shè)計(jì)中非常重要的方法，它不會(huì)一成不變。”

當(dāng)全 3D 布局布線成為可能時(shí)，這會(huì)變得更加困難。“今天最安全的回答是，‘我們不要分塊（block）。讓我們將每個(gè)塊保留在一個(gè)die上，我們將跨越die邊界與他們交談。這樣做，你仍然有一個(gè)必須解決的 3D 布局分區(qū)問(wèn)題，但你的簽核問(wèn)題更簡(jiǎn)單，因?yàn)橹辽倌愕膲K簽核被限制在 2D 空間內(nèi)，”Aitken 說(shuō)。“學(xué)術(shù)著作表明，移動(dòng)方塊并將它們散布在邊界上可以為您帶來(lái)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(shí)鐘同步、芯片匹配以及當(dāng)您嘗試執(zhí)行此類操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)的其他問(wèn)題。如果你把單獨(dú)的塊放在一個(gè)芯片上，你仍然有很多問(wèn)題要解決，但與允許塊在die上遷移相比，它的問(wèn)題數(shù)量要少。

編輯：黃飛

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