3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

3D-IC:t tarjoavat merkittäviä etuja koon, suorituskyvyn, energiatehokkuuden ja kustannusten suhteen, mutta samalla ne nostavat suunnittelun monimutkaisuuden uudelle tasolle. Erityisesti tehonhallinnan, lämmönpoiston ja erilaisten fysikaalisten ilmiöiden keskinäisen vuorovaikutuksen hallinta edellyttää kehittynyttä lähestymistapaa. Siinä keskeisiä ovat automatisoitu multiphysics- eli monifysiikka-analyysi, tiiviimpi yhteistyö ja niin sanottu shift-left-ajattelu.

3D-IC nostaa panoksia

Siirtyminen perinteisistä kaksiulotteisista system-on-chip- eli SoC-arkkitehtuureista heterogeeniseen integrointiin ja täysimittaiseen 3D-pinoamiseen on muuttanut suunnittelua perusteellisesti. Siinä missä 2D-suunnittelu on pitkälti voinut nojata vakiintuneisiin prosessisuunnittelupaketteihin eli PDK:ihin ja niiden ennustettaviin tuloksiin, 3D-IC tuo mukanaan uusia materiaaleja, valtavia datamääriä ja monimutkaisia vuorovaikutuksia.

Suunnittelijat eivät enää voi käsitellä mekaanisia, termisiä ja tehonkulutukseen liittyviä ilmiöitä abstraktioina. Niistä on tullut keskeinen osa luotettavan piirin suunnittelua.

Tarkastellaan esimerkiksi tehon ja lämmön välistä perustavanlaatuista yhteyttä. Tehonkulutus tuottaa suoraan lämpöä. Lämpö puolestaan voi aiheuttaa johdinrakenteiden muodonmuutoksia ja muuttaa transistorien käyttäytymistä. Nämä muutokset etenevät suunnittelussa ketjuna ja pakottavat päivittämään tehoarvioita sekä tekemään ajoitusanalyysit uudelleen.

Useiden sirujen, chipletien ja komponenttien pinoaminen tiiviiksi kokonaisuudeksi kasvattaa monimutkaisuutta entisestään. Kuvassa 1 esitetään 3D-pinon rasituskeskittymiä.

Kuva 1. 3D-pinon rasituskeskittymiin vaikuttavat termiset, sähköiset ja mekaaniset ilmiöt. (Kuva: Siemens Digital Industries Software)

Perinteinen käsite known good die eli toimivaksi todettu siru muuttuu 3D-IC-maailmassa käsitteeksi known good stack, toimivaksi todetuksi pinoksi. Yksittäinen vika voi vaarantaa koko järjestelmän luotettavuuden.

Tämä multiphysics-vuorovaikutus tarkoittaa, että erilaiset fysikaaliset ilmiöt vaikuttavat sekä rakenteen fyysisiin että sähköisiin ominaisuuksiin. Jos niitä ei huomioida huolellisesti, seurauksena voi olla vakavia saanto-ongelmia tai vielä pahempaa, kentällä ilmeneviä luotettavuusongelmia.

Mukana ovat perinteiset haasteet, kuten elektromigraatio (EM), sähköiset parasiitit (PEX), jännitehäviö (IR) ja sähköstaattiset purkaukset (ESD), mutta niiden lisäksi on nyt otettava huomioon uudet termiset ja mekaaniset vuorovaikutukset.

Yksittäisinä ilmiöinä nämä tunnetaan yleensä hyvin, mutta perinteiset SoC-suunnittelun ja -verifioinnin menetelmät eivät useinkaan enää riitä 3D-IC-tasolla. Yksi syy tähän ovat uudet materiaalit, joiden käyttäytyminen poikkeaa perinteisissä 2D-piireissä käytetyistä piin, lasin ja kuparin yhdistelmistä.

Ongelmaa vaikeuttaa se, ettei ilmiöitä voi tarkastella toisistaan riippumatta. Muutos yhdessä vaikuttaa muihin ja muodostaa monimutkaisen keskinäisten riippuvuuksien verkoston.

Yhteistyö ja yhteinen kieli luotettavan integroinnin perustana

Teknisten haasteiden lisäksi onnistunut 3D-IC-projekti edellyttää tiivistä yhteistyötä erilaisten tiimien välillä. Mukana ovat muun muassa sirujen suunnittelijat, kotelointisuunnittelijat, puolijohdetehtaat sekä ulkoistetusta kokoonpanosta ja testauksesta vastaavat OSAT-yritykset.

Kriittisen immateriaalioikeuden ja prosessidatan suojaaminen on ensiarvoisen tärkeää, mutta yhtä tärkeää on luoda yhteinen kieli ja yhteentoimivat suunnitteluvuot. Tiiviimmän integraation avulla eri alojen asiantuntijat voivat tunnistaa ja ratkaista riskejä jo suunnittelusyklin alkuvaiheessa sen sijaan, että kalliita korjauksia jouduttaisiin tekemään vasta sign-off-vaiheessa.

Kuva 2. Onnistunut 3D-IC-suunnittelu edellyttää toisiinsa kytkeytyviä analyysejä, joihin kuuluvat terminen analyysi, termomekaaninen rasitus, tehonkulutus, fyysinen toteutus ja verifiointi sekä ajoitus- ja piirianalyysit. Kaikkien perustana ovat 3D-IC-kokoonpanon määrittelyt. (Kuva: Siemens Digital Industries Software)

Aiemmin multiphysics-analyysi perustui usein yksinkertaistettuihin kotelotason malleihin, joissa siruja käsiteltiin homogeenisina kokonaisuuksina tai ”palikoina”. Uudemmat tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että tehonkulutus, lämpö ja mekaaninen rasitus voivat muuttaa merkittävästi sirutason käyttäytymistä.

Siksi myös sirujen suunnittelijat on otettava mukaan multiphysics-kriteerejä koskevaan keskusteluun heti projektin alusta lähtien. Suunnittelusyklin alussa on eniten vapautta tehdä komponenttien sijoittelua ja materiaaleja koskevia ratkaisuja. Tämä korostaa shift-left-ajattelun merkitystä.

Shift-left, analyysi aikaisemmaksi

Shift-left on koko toimialalle levinnyt ajattelutapa, jossa analysointi ja päätöksenteko pyritään siirtämään mahdollisimman aikaiseen vaiheeseen suunnitteluprosessia.

3D-IC-suunnittelussa tämä tarkoittaa esimerkiksi what-if-tarkasteluja, tehon ja lämpörasituksen simulointia sekä sijoittelun optimointia jo kauan ennen kuin myöhäisessä suunnitteluvaiheessa esiin tulevat yllätykset uhkaavat tuotteen markkinoilletuloa.

Calibre 3DStressin kaltaiset nykyaikaiset työkalut mahdollistavat multiphysics-analyysin jo chipletien, koteloinnin ja komponenttien määrittelyn alkuvaiheessa. Shift-left-analyysin avulla ongelmat voidaan havaita ja sijoittelua tai materiaalivalintoja muuttaa silloin, kun muutokset ovat vielä helppoja ja edullisia toteuttaa.

Kuva 3. Shift-left-mallissa multiphysics-simuloinnit aloitetaan jo konseptivaiheessa. (Kuva: Siemens Digital Industries Software)

Siemens Digital Industries Software eli Siemens EDA pyrkii vastaamaan näihin vaatimuksiin integroidulla suunnitteluvuon automaatiolla. Calibre-ratkaisu yhdistää yksityiskohtaisen GDSII-tason analyysin, jossa poimitaan johdin-, oksidi- ja transistoridata, Simcenter Flothermin termiseen simulointiin.

Näin jokaisen suunnittelijan ei tarvitse olla lämpö- tai mekaniikka-asiantuntija. Automatisoidut vuot tuottavat tuloksia, jotka näyttävät lämpökeskittymät, mekaanisen rasituksen alueet ja vaikutukset ajoitukseen suunnittelijalle tutuissa layout-näkymissä ja työkaluissa.

Automatisoidut multiphysics-työnkulut on suunniteltu skaalautuviksi ja tehokkaiksi. Suunnittelijat saavat yksityiskohtaista tietoa käytännössä painikkeen painalluksella tutuissa työkaluympäristöissä ilman, että nykyisiä työnkulkuja tarvitsee muuttaa tai suunnittelua hidastaa.

Työnkulut auttavat IC-suunnittelijoita ymmärtämään vaikutuksia kotelointi-, chiplet- ja järjestelmätasolla ilman, että heidän täytyy itse ryhtyä multiphysics-asiantuntijoiksi. Varhaisessa vaiheessa saatu tieto antaa tiimeille enemmän liikkumavaraa ja varmuutta komponenttien sijoitteluun, kohdistamiseen ja materiaalien valintaan. Näin voidaan ehkäistä vikaantumismekanismeja ja piirien suorituskyvyn heikkenemistä.

Yhdistämällä yksityiskohtainen GDSII-tason tieto Simcenter Flothermiin voidaan lisäksi ottaa huomioon todelliset prosessilämpötilat, materiaalipinot ja kokoonpanovaiheet. Näin tulosten on tarkoitus kuvata todellisten komponenttien käyttäytymistä mahdollisimman tarkasti.

Työkaluketjujen on mukauduttava 3D:n monimutkaisuuteen

Suunnitteluhaasteiden lisääntyessä kasvavat myös työkaluketjuille asetettavat vaatimukset. Suunnittelijoiden on edelleen tehtävä perinteinen 2D-verifiointi, kuten place-and-route, ajoitustarkastukset, suunnittelusääntöjen tarkistus (DRC) sekä layoutin ja kytkentäkaavion vastaavuuden tarkistus (LVS). Näiden lisäksi tarvitaan uusia analyysejä koko kootulle rakenteelle.

Calibren ensimmäisen sukupolven 3D-työkalut keskittyivät sign-off-verifiointiin sekä eri puolijohdevalmistajien erilaisilla prosesseilla valmistettujen monikerroksisten chipletien yhdistämiseen. Kerrosten kohdistaminen, rajapintojen tunnistaminen ja fyysisten yhteyksien ymmärtäminen ovat ratkaisevan tärkeitä kolmiulotteisen rakenteen virheiden välttämisessä.

Laajentuneet standardit, kuten IEEE:n 3Dblox-hanke, mahdollistavat nyt entistä kattavammat ja integroidummat suunnitteluvuot. Niillä voidaan tukea DRC- ja LVS-tarkistuksia, PERC-analyysiä, termistä simulointia ja rasitusanalyysejä.

Tavoitteena on saada näkyvyys rakenteen jokaiseen kerrokseen ja komponenttiin sekä mahdollistaa simulointitulosten siirtäminen saumattomasti sirutasolta substraatille ja edelleen piirilevylle.

Kattavat mallit kuvaavat nykyään paitsi globaaleja ilmiöitä, kuten rakenteen vääntymistä ja lämpökeskittymiä, myös komponenttitason vaikutuksia. Esimerkiksi mekaanisen rasituksen alueet voivat muuttaa transistorin suorituskykyä tai vaikuttaa ajoituksen sulkeutumiseen.

Mallinnus ei siten enää rajoitu fyysisiin muodonmuutoksiin, vaan ulottuu suoraan komponenttitason ajoitukseen. Laajennetut standardit ja integroidut suunnitteluvuot mahdollistavat myös tulosten siirtämisen sirutason analyysistä aina kotelo- ja piirilevysimulointiin saakka. Näin kaikilla projektiin osallistuvilla on käytettävissään yhdenmukainen data ja konteksti, mikä helpottaa merkittävästi tiimien yhteistyötä.

Iterointi on välttämätöntä, sillä lämpö, elektromigraatio, IR-häviöt ja mekaaniset muodonmuutokset vaikuttavat parasiitteihin ja jopa yksittäisten transistorien sähköiseen käyttäytymiseen. Alun perin määritetty sähköinen eheys ei tämän jälkeen enää välttämättä pidä paikkaansa.

Lopullisen sähköisen käyttäytymisen tarkka määrittäminen edellyttää siksi jatkuvaa iterointia kaikkien toisiinsa vaikuttavien fysikaalisten ilmiöiden välillä.

Digitaaliset kaksoset, tekoäly ja 3D-IC:n tulevaisuus

Tulevaisuudessa 3D-IC:n sign-off-kriteerit perustuvat yhä enemmän useiden eri alojen osaamiseen. Mekaniikan, lämmön, tehon ja ajoituksen asiantuntemus koodataan helppokäyttöisiin automatisoituihin työnkulkuihin.

Kattavan digitaalisen kaksosen avulla sirutason simulointitulokset voidaan siirtää läpi koko suunnittelun. Tämä tukee perusteellista multiphysics-verifiointia ja parantaa rakenteen luotettavuutta.

Näihin kehittyneisiin teknologioihin liittyvän jyrkän oppimiskynnyksen madaltamiseksi Siemens EDA investoi myös tekoälyyn ja agenttipohjaisiin toimintoihin alustoillaan. Niiden tavoitteena on auttaa käyttäjiä pääsemään nopeammin vauhtiin.

Koneoppimismenetelmiä tutkitaan älykkäämpää analyysiä, nopeampia analyysisyklejä ja parempaa käytettävyyttä varten. Tavoitteena on, että suunnittelijat voivat keskittyä innovointiin sen sijaan, että heidän aikansa kuluisi kasvavan monimutkaisuuden hallintaan.

Kuva 4. Siemens EDA:n kokonaisvaltainen 3D-IC multiphysics -työnkulku yhdistää suunnittelun, verifioinnin, valmistuksen ja multiphysics-analyysimoottorit. (Kuva: Siemens Digital Industries Software)

3D-IC-suunnittelun uusia lähestymistapoja ovat muun muassa fotoniikan käyttäminen tehokkaaseen signaalinsiirtoon, lasi- ja keraamimateriaalit lämmönhallinnan parantamiseksi sekä jopa sirutason nestejäähdytys.

Jokainen uusi kehitysaskel kertoo alan pyrkimyksestä suurempaan suorituskykyyn ja parempaan tehokkuuteen. Automatisoiduista ja integroiduista suunnitteluvoista on samalla muodostumassa tulevaisuuden suunnittelun keskeinen perusta.

Jatkuva iteratiivinen prosessi alkaa jo varhaisesta floorplanning-vaiheesta – tai 3D-IC:n tapauksessa ehkä osuvammin ”monitasosuunnittelusta”. Sen ansiosta suunnittelijat voivat tehdä perusteltuja päätöksiä jo silloin, kun käytettävissä on vielä suhteellisen vähän lähtötietoja.

Kun suunnittelu etenee ja tarkempia materiaaliparametreja sekä tehokarttoja tulee saataville, rakennetta voidaan edelleen muuttaa. Esimerkiksi lämpövaikutuksia voidaan pienentää lisäämällä kuparipilareita. Mekaanista rasitusta voidaan vähentää muuttamalla dummy fill -rakenteita.

Tällainen ennakoiva ja iteratiivinen lähestymistapa on avain hyvän saannon ja luotettavuuden saavuttamiseen 3D-IC-rakenteissa samalla, kun niiden sähköinen käyttäytyminen optimoidaan.

3D-IC:n tulevaisuus alkaa nyt Siemensillä

Innovator3D IC -ratkaisuilla optimaalinen järjestelmäarkkitehtuuri voidaan löytää nopeammin. Tekoälyä hyödyntävä päästä päähän -alusta muuttaa tapaa, jolla luotettavia 3D-IC-rakenteita suunnitellaan, simuloidaan ja validoidaan.

Lisätietoja: Siemens EDA:n 3D IC design solutions.

Kirjoittajat

John Ferguson toimii Calibre nmDRC -sovellusten tuotehallintajohtajana Siemens Digital Industries Softwarella.

Sheltha Nolke toimii senior product engineer -tehtävässä Siemens Digital Industries Softwarella.