前言

Chiplet多芯片系統(tǒng)將多個(gè)裸芯片集成在單個(gè)封裝中，這對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)增加了新的維度和復(fù)雜性，多芯片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)貫穿著系統(tǒng)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)分析方法。

在系統(tǒng)定義和規(guī)劃時(shí)，虛擬原型可以用來(lái)分析架構(gòu)設(shè)計(jì)決策可能產(chǎn)生的影響，將系統(tǒng)的功能性和非功能性要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的物理硬件屬性，包括裸片的目標(biāo)工藝、面積大小以及不同組成芯片的組裝要求等。根據(jù)不同的解決方案，選擇不同的chiplets和堆疊架構(gòu)，進(jìn)行早期的分析驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)探索和優(yōu)化迭代，包括電氣可靠性、散熱、良率分析、應(yīng)力分析等等。從而可以基于目標(biāo)系統(tǒng)的指標(biāo)定義，確定系統(tǒng)的瓶頸所在——性能、功耗、存儲(chǔ)容量/帶寬、面積/體積、成本以及上市時(shí)間等，逐步建立和完善各類(lèi)分析模型，使得整個(gè)系統(tǒng)最終定型。

芯和半導(dǎo)體的3DICCompiler（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“3DICC”）設(shè)計(jì)平臺(tái)，全面支持chiplet多芯片系統(tǒng)2.5D/3D集成設(shè)計(jì)和仿真。本文介紹如何在3DICC設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于虛擬原型實(shí)現(xiàn)多芯片架構(gòu)探索。整個(gè)流程包含chiplets虛擬原型和頂層創(chuàng)建、布局堆疊規(guī)劃、Bump/TSV設(shè)計(jì)規(guī)劃、PG網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和系統(tǒng)早期EMIR&Thermal分析等。

案例介紹

圖1

多芯片系統(tǒng)3D架構(gòu)探索、布局、分析和迭代

1. Chiplets虛擬原型和頂層創(chuàng)建

創(chuàng)建chiplets虛擬原型，包含長(zhǎng)寬尺寸和信號(hào)接口規(guī)劃。

圖 2

虛擬芯片原型創(chuàng)建

創(chuàng)建虛擬頂層網(wǎng)表，建立芯片間互連關(guān)系，包含多芯片系統(tǒng)的所有實(shí)例和互連，但不會(huì)產(chǎn)生用于生產(chǎn)制造的實(shí)際GDS。

圖3

虛擬頂層網(wǎng)表創(chuàng)建

2. 布局堆疊規(guī)劃

Chiplet多芯片系統(tǒng)架構(gòu)和布局規(guī)劃有諸多因素需要考量，如chiplets和IP選擇、接口協(xié)議和類(lèi)型、裸片是并排放置還是垂直堆疊等等，選擇的確定取決于目標(biāo)應(yīng)用在功耗、性能、功能、成本和散熱等方面的要求。

3DICC對(duì)于系統(tǒng)的架構(gòu)布局支持多種芯片堆疊方式，如face-to-face、face-to-back等，在布局探索過(guò)程中，這些都可以從2D和3D的視圖進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)，快捷直觀。

圖4

堆疊布局探索

3.Bump/TSV設(shè)計(jì)規(guī)劃

在chiplets的架構(gòu)探索和設(shè)計(jì)階段，需要完成系統(tǒng)級(jí)Floorplan和各個(gè)層次的bump planning。

對(duì)于ubump、TSV、C4 bump的設(shè)計(jì)，3DICC支持多種規(guī)劃方式，包括CSV、Excel表格以及圖形界面陣列設(shè)計(jì)等，可以根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)條件和需求，選擇適合的方式進(jìn)行。例如：

Die1：已有Excel表格類(lèi)型IO信息，導(dǎo)入文件自動(dòng)創(chuàng)建。

圖 5

導(dǎo)入excel格式的bump map

Die2：已有CSV格式IO信息，導(dǎo)入文件自動(dòng)創(chuàng)建。

圖6

FanOut設(shè)計(jì)頂層創(chuàng)建

Die3：只有IO信號(hào)列表，可以設(shè)定區(qū)域和pattern創(chuàng)建，也可以由工具基于信號(hào)接口關(guān)系自動(dòng)分布創(chuàng)建。

圖7

設(shè)定區(qū)域和pattern創(chuàng)建bump陣列

圖8

工具自動(dòng)分布創(chuàng)建bump陣列

4.PG網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和系統(tǒng)早期EMIR&Thermal分析

3DICC可以快速建立不同類(lèi)型和pattern的PG網(wǎng)絡(luò)，用于支持原型階段的EMIR和Thermal建模分析。這些結(jié)果為PG網(wǎng)絡(luò)、bump/TSV陣列、芯片熱功耗、芯片堆疊方式等設(shè)計(jì)選擇確定提供了必要的數(shù)據(jù)支持，推進(jìn)架構(gòu)探索設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化。

圖9

PG網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

圖10

EMIR&Thermal分析示例

總結(jié)

與單片系統(tǒng)相比，chiplet多芯片系統(tǒng)在架構(gòu)定義階段，必須通過(guò)功能架構(gòu)、物理架構(gòu)的協(xié)同假設(shè)和優(yōu)化，從整個(gè)系統(tǒng)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，問(wèn)題越早發(fā)現(xiàn)，就越有可能做出有影響力的改變來(lái)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。通常來(lái)說(shuō)，有價(jià)值的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通常要到設(shè)計(jì)流程的后期才能獲得，而借助虛擬原型技術(shù)，開(kāi)發(fā)者可以更好地掌控功耗和性能，同時(shí)仍可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中做出修正和優(yōu)化，從而規(guī)劃出系統(tǒng)的理想藍(lán)圖。

3DIC Compiler提供的基于虛擬原型實(shí)現(xiàn)多芯片架構(gòu)探索，對(duì)于多芯片系統(tǒng)的可行性、可優(yōu)化性和可實(shí)現(xiàn)性等方面提供了有效且高效的功能支持。

審核編輯：湯梓紅