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3D-IC将深刻改变您设计电子产品的十大原因

3D设计将迫使IC设计团队面对新的物理领域和挑战。

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电子设计的历史是由不断发生的重大技术变革和伴随而来的业务重组所定义的。许多公司因为无法预测和适应这些强大的变革力量而失败和消失。因此,我并不是唯一一个相信现在是为电子设计流程、甚至是您的公司组织和划分设计团队的方式的下一个重大变化做好准备的时候。我相信,设计2.5D或3D多模堆栈很快就会出现在你身边的项目中,它将带你面对许多IC设计团队所不熟悉的物理领域和挑战。这一结论是基于Ansys等主要EDA解决方案提供商的真实市场数据,后者报告称,仅2020年开始,他们的多物理分析工具用于2.5/ 3d ic设计的数量就超过了过去10年的总和。

每次设计技术都改变了它是作为突破墙壁的反应,或者瓶颈,这些反应限制了我们对更大更大和更多综合系统的进展。回顾半导体行业如何满足这些早期的范式转变,可以教我们更好地了解和调整到3D设计周围的新拐点。


图1:半导体设计能力中的技术瓶颈历史以及行业如何响应和改变,以便每次突破。

到20世纪80年代后期,手绘原理图和手动RTL创作是利用摩尔定律的限制因素。该行业通过以无与伦比的规模和深度采用自动化来回应。EDA具有自动化突飞猛役的年龄,包括逻辑合成,静态时序分析和自动化的地方和路线阵列阵列ASIC设计流程。

在20世纪90年代,新的瓶颈是设计师的生产力,行业的反应是开发广泛的设计重用方法。知识产权(IP)领域诞生了,IP重用得到了所有EDA工具的支持,现在是每个SoC的标准组件。业务方面也重新调整以反映这一变化,行业巨头如Synopsys和Arm为所有IC设计提供关键的IP基础设施。

2000年代看到了一种技术平台,可以实现在<5GHz的数字设计中实现的时钟速度,这是阻挡计算能力的上升趋势。该行业通过拥抱并行和多核执行来反应。EDA工具不限于升级其算法以利用它们在微处理器中设计的非常平行性。

2010年代最近的班次来自电力管理的兴起到一阶关注,而不仅仅是对于电池供电的应用,而是为每个人提供给所有的,包括偶数HPC数据中心。这是将技术转移到FinFET,完全耗尽的SOI和超低工作电压的转变。电子设计实践类似地转移以增加低功耗设计和电力完整性签收作为关键技术。

这将我们带来了目前的新硅应用,如GPU,TPU和AI / ML芯片溢出的最大掩模版尺寸,并且需要大量的紧密集成存储器。这些高端系统可以实现其功率和性能目标的唯一方法是通过在插入器基板(2.5d-ic)上的多个骰子的贴心集成或通过直接堆叠彼此(3D-IC和HBM)堆叠骰子。它不仅是采用3D设计的高端。在需要集成在管芯基底上,还存在强烈的经济原因将SOC的崩解变成较小的模具的异质集合。这一举动仍然拥抱“小芯片”设计仍然是新生,尚未成为更传统的2.5D和3D设计,但目前正在进行大量的发展努力。3D-IC设计人员面临的技术挑战显着改变了许多关于如何进行设计芯片的假设。

以下是在考虑2.5 / 3D-IC设计时,我认为是在考虑的前10个主要问题的列表:

  1. 包装和芯片设计师之间的组织墙需要下来。需要混合专业知识。
  2. 功率耗散和热分析将是可实现的系统密度的限制因素。它们成为主要的设计参数。
  3. 当长距离在3D基板上运行高速信号时,电磁耦合和非局部干扰成为主要问题。这对于短片内互连的问题较少,并且许多芯片设计人员不熟悉感应耦合。
  4. 通过更小的Microbumps和硅通孔(TSV)进行高电源电流是一种重大挑战,需要新的方法和非常仔细的供应网络分析。这是通过已经出现在芯片内的柱子的结构的逻辑扩展。
  5. 热机械应力和翘曲需要成为地板的决定和可靠性源的一部分,特别是在原型化阶段。
  6. 对于构成多模系统(HBM,模拟模具,插入器路由,数字模具,再分布层(RDL)等)的许多不同元件的异构模型需要收集并表示在任何系统级别分析中。此类数据表示范围超出了大多数工具的能力。
  7. 更深入依赖硅原料提供3D包装技术,还将带来更正式的终点要求,这将为包装和董事会设计人员标志着重大变化。
  8. 即使是小型模拟芯片也需要设计和有资格集成到3D系统中。理想情况下,这意味着低功耗,短路IO协议,而不是传统的IO驱动程序,用于独立PCB安装。
  9. 容量:纯粹的系统设计大小将强调许多设计和分析工具的能力,并需要投资新类别的减少订单模型(ROM)。
  10. 所有这些效应的紧密耦合和强烈的相互依赖将需要一个多物理集成,这远远超过了目前常用的每种物理的离散解决方案。看到这个芯片包系统IOT多发性分析示例的设计环境。

每一点都值得在其本身的权利中进行完整的讨论,但3D-IC今天就在这里,它将影响EDA和系统设计流程中的几乎每一个步骤。我相信,在未来几年里,那些投资得越早、适应得越快的公司,将会获得最大的利益,并超过竞争对手。



3评论

Miek Gaynor. 说:

我已经看到了这个,然后打了15年。我同意你的观点,但是要添加的一件事是rf。这打开了另一罐蠕虫。在许多情况下,射频已经倒装芯片。它需要低地面电感和PAS良好的热量。我是35年的RF工程师。我在PCBS上工作,然后在AMKOR的封装中进行了RF系统,现在RF IC设计。我一直在双方,完全同意,墙壁需要在IC和包装设计之间取下。我看到了很多次,其中IC设计尽可能小,以降低成本,以推动包装成本。最好的设计是我在设计阶段早期工作时,IC设计师同时进行包装设计。 I did RF blocks embedded into the package.

Ronak Shah. 说:

有趣的阅​​读Marc !!

Marc同化 说:

是的,RF Design是另一个强大的动机到3D设计。承诺被列出,它将促进RF部分可以在逻辑过程中使用优化技术的异构组件。这是指向小芯片的路径,但行业并不是那么真实的。

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