三維集成電路系統(tǒng)的電網(wǎng)分析

在高級(jí)節(jié)點(diǎn)，有效的電網(wǎng)分析是確保小尺寸連接器可以處理電流需求，而不會(huì)造成潛在失效模式或信號(hào)完整性問題的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的電網(wǎng)分析工具需要按照2.5維和三維設(shè)計(jì)進(jìn)行拓展和增強(qiáng)，從而滿足新的需求和使用模式。本文介紹了一些必要的改進(jìn)。

以系統(tǒng)為中心的電網(wǎng)分析

在三維集成電路系統(tǒng)中，幾個(gè)晶粒共享相同的網(wǎng)絡(luò)供電。電網(wǎng)分析 (PGA) 工具必須同時(shí)分析所有晶粒，因?yàn)橐粋€(gè)晶粒的電壓降可能直接與另一個(gè)相關(guān)聯(lián)。此外，電網(wǎng)分析解決方案必須支持各種2.5維/三維晶粒配置 -- 包括布局、定向和堆疊順序 -- 以及晶粒內(nèi)部連接器模型。

一個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)晶粒可能已經(jīng)按照其應(yīng)用和需求采用了不同的工藝節(jié)點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)可能包含 40nm 和 28nm 設(shè)計(jì)的晶粒以及 65nm 設(shè)計(jì)的基板夾層(interposer)。增量技術(shù)文件定義和校準(zhǔn)在這個(gè)使用案例中發(fā)揮了重要作用，因?yàn)榻K端用戶只需校準(zhǔn)與2.5維/三維整合相關(guān)的新堆疊定義部分，而不用重新校準(zhǔn)整個(gè)堆疊。

2.5維/三維流程的電網(wǎng)分析工具還必須考慮垂直整合所需的更多“對(duì)象”，如背面凸塊(microbumps)和背面金屬層（圖1）。三維結(jié)構(gòu)中的背面金屬層呈45度角，而不是正面金屬層常用的90度，這將對(duì)功率分析模型產(chǎn)生影響。對(duì)于全三維系統(tǒng)，電網(wǎng)分析工具需要給正面和背面金屬之間的硅穿孔(TSV)定義準(zhǔn)確的模型，而對(duì)于2.5維系統(tǒng)，電網(wǎng)分析工具必須能夠模擬只包含金屬（下面沒有器件）的鈍化基板夾層(interposer)。

使用模型

考慮到2.5維和三維系統(tǒng)的常規(guī)尺寸以及需要整合第三方晶粒，電網(wǎng)分析解決方案必須能夠以三種不同的模式運(yùn)行。

●基于功率模型的電網(wǎng)分析模式 -- 在基于功率模型的模式中，每個(gè)晶粒表現(xiàn)為緊湊的功率模型，電網(wǎng)分析工具使用這些模型及其連接分析整個(gè)2.5維/三維集成電路系統(tǒng)。這種模式運(yùn)行相當(dāng)快，提供了高水平的系統(tǒng)電網(wǎng)分析，但是它僅限于檢測(cè)晶粒內(nèi)連接問題。由于功率模型是為了特定技術(shù)節(jié)點(diǎn)角而創(chuàng)建，一個(gè)電網(wǎng)分析解決方案必須能夠處理不同條件下的不同緊湊功率模型。例如，1.2V 條件下90nm 晶粒模型和1.0V 條件下 65nm 的晶粒模型組合在一起的情況。

●全2.5維/三維電網(wǎng)分析模式 -- 終端用戶希望分析特定多晶粒網(wǎng)的電壓降，但是算起來代價(jià)十分高昂。為了支持這個(gè)模式，電網(wǎng)分析工具的容量和周轉(zhuǎn)時(shí)間必須比現(xiàn)有工具好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

●混合電網(wǎng)分析模式 -- 混合模式受到分析第三方晶粒整合需求的推動(dòng)。它支持一系列混合的緊湊型功率模型和晶粒，在這種情況下第三方晶粒僅表現(xiàn)為緊湊模型，用于整合進(jìn)系統(tǒng)電網(wǎng)分析。

設(shè)計(jì)流程中的電網(wǎng)分析

為了盡早、高效地檢測(cè)、診斷和糾正電網(wǎng)問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在布圖規(guī)劃、時(shí)鐘樹綜合后以及電路實(shí)現(xiàn)后階段進(jìn)行電網(wǎng)分析。為了提供有意義的分析，必須考慮到系統(tǒng)在既定晶粒（如其它晶粒、基板夾層(interposer)、三維集成電路整合對(duì)象等等）上的效果，用戶應(yīng)該能夠輕松分析系統(tǒng)相互作用。一個(gè)既定堆疊內(nèi)的多幀功能和晶粒間瀏覽使用戶能夠高效地審查、診斷和排除電網(wǎng)問題。盡管這些功能需要工具擁有明顯較大的數(shù)據(jù)容量和更快的響應(yīng)時(shí)間，但是它們對(duì)于調(diào)試動(dòng)態(tài)的電網(wǎng)分析運(yùn)行特別重要。

電網(wǎng)分析輸出

一個(gè)電網(wǎng)分析解決方案產(chǎn)生一個(gè)全系統(tǒng)功率模型，可用于包裝/電路板電源完整性分析。進(jìn)行部分模型創(chuàng)建的能力對(duì)于支持第三方 IP 整合來說也非常重要。例如，如果一個(gè)供應(yīng)商分析一個(gè)基板夾層(interposer)上的一個(gè)將由客戶連接至另一個(gè)晶粒的晶粒，那么這個(gè)供應(yīng)商需要為第一個(gè)晶粒提供功率模型，還要為基板夾層(interposer)提供寄生網(wǎng)表。

結(jié)論

當(dāng)今的電網(wǎng)分析工具提供的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足2.5維/三維集成電路的電網(wǎng)分析需要。功率是2.5維/三維集成電路物理實(shí)現(xiàn)中最大的挑戰(zhàn)之一，由此產(chǎn)生的問題無法僅在寄存器傳輸級(jí) (RTL) 得到解決。為了使半導(dǎo)體行業(yè)完全支持除2.5維以外的三維整合、存儲(chǔ)器堆疊以及廣泛的 IO 應(yīng)用，電網(wǎng)分析解決方案必須解決本文討論的需求，尤其是如果目標(biāo)是為擁有具有強(qiáng)大的多晶粒電網(wǎng)布圖規(guī)劃能力的真正三維集成電路整合流程。