3D IC設(shè)計(jì)打了死結(jié)？電源完整性分析僵局怎么破

　　數(shù)十年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)在超級(jí)集成的道路上暢通無(wú)阻，一方面可以提高功能和性能，另一方面可以降低系統(tǒng)成本。不過(guò)，標(biāo)準(zhǔn)的做法是將越來(lái)越多的功能塞進(jìn)單個(gè)裸片上，當(dāng)您想要集成某些采用不同制程的功能時(shí)，這條路就走不通了。這就是為什么3D IC- 將3D模塊和內(nèi)插器集成在一起變得越來(lái)越流行的原因。當(dāng)前，一個(gè)流行的應(yīng)用案例是將高帶寬存儲(chǔ)器與處理器并排結(jié)合在一起，在DRAM堆棧和主存儲(chǔ)器之間直接通過(guò)低阻抗/高度并行連接實(shí)現(xiàn)更高帶寬的通信。

　　當(dāng)然，每個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新都會(huì)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)問(wèn)題。其中之一就是如何管理這些系統(tǒng)一直到封裝和電路板級(jí)中的電源完整性。通常情況下，我們將電源完整性分析和配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)設(shè)計(jì)視為能夠逐芯管理的功能，但是別忘了，我們之所以能夠這么認(rèn)為，得益于封裝之間的高阻抗，以及芯片的高工作頻率最大程度減少了芯片間通信對(duì)片上功率噪聲的影響。但是，現(xiàn)在不僅存在一系列阻抗，諧振頻率也比較寬，包括低頻范圍的電路板級(jí)的MHz、中頻范圍的內(nèi)插器層/TSV層的100 MHz和高頻級(jí)別的芯片級(jí)的GHz，這種特性意味著對(duì)電源完整性存在較大的潛在影響。即使我們可以忽略板級(jí)頻率的影響，這些中頻范圍內(nèi)的頻率也絕對(duì)無(wú)法抹煞。

　　因此，在進(jìn)行電源完整性分析時(shí)，不能再一廂情愿地認(rèn)為每個(gè)芯片互相獨(dú)立互不相干了。至少要在整個(gè)3DIC的封裝內(nèi)分析電源完整性。最近主辦的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)特別談?wù)摿诉@種類(lèi)型的電源完整性分析。這種分析有兩個(gè)主要組成部分 - 一個(gè)是為整個(gè)3DIC設(shè)備構(gòu)建一個(gè)精確的電源模型，可以在詳細(xì)的瞬態(tài)和AC Spice分析中使用，另一個(gè)是確保模型有效地反映了非常寬的響應(yīng)范圍，包括從板級(jí)/封裝級(jí)的MHz到芯片級(jí)的GHz。

　　構(gòu)建一個(gè)精確的電源模型需要考慮以下幾個(gè)層面。芯片/裸片的分析已經(jīng)很成熟了，可以通過(guò)RedHawk或Totem(用于模擬設(shè)計(jì))來(lái)實(shí)現(xiàn)。RedHawk還被推薦用于內(nèi)插器提取，可以把內(nèi)插器看做是制造技術(shù)文件支持的另一種半導(dǎo)體器件，RedHawk可以很好地完成這項(xiàng)任務(wù)。建議采用SIwave / HFSS處理TSV的提取。最后，這些可以組合成一個(gè)系統(tǒng)芯片功率模型(CPM)，可以在芯片模型分析儀(CMA)中進(jìn)行詳細(xì)的瞬態(tài)和AC分析。

　　在分析的第二階段，重要的是確保CPM模型能夠反映整個(gè)系統(tǒng)所固有的廣泛響應(yīng)范圍。在這個(gè)階段的芯片級(jí)分析中，可以查看幾十納秒的活動(dòng)(上面的藍(lán)色部分)。但是，在更大的時(shí)間間隔上，不連續(xù)的事件可能會(huì)導(dǎo)致較大的功率轉(zhuǎn)換，比如3DIC封裝中另一個(gè)芯片從工作模式切換到空閑模式，或者板上另一個(gè)器件的活動(dòng)(上面的紅色部分)。

　　在微秒范圍內(nèi)進(jìn)行納秒級(jí)別的精確分析是不切實(shí)際的。相反，CMA提供了基于芯片級(jí)高頻響應(yīng)和低頻輸入構(gòu)建代表性功率噪聲頻譜的工具，其中，低頻輸入可以通過(guò)各種反映內(nèi)插器/ TSV和封裝/板對(duì)這些不連續(xù)性的響應(yīng)的各種方法生成。然后，可以將這些頻譜合并，以生成更加準(zhǔn)確地反映全部響應(yīng)范圍的新CPM。

　　建模這些較長(zhǎng)周期時(shí)間事件的方法包括分析長(zhǎng)時(shí)間包絡(luò)，或者從PowerArtist配置文件中導(dǎo)出，或通過(guò)手動(dòng)指定的配置文件(可用于反映板上傳感器的切換)導(dǎo)出，或通過(guò)基于針對(duì)該3DIC或者電路板的PDN生成對(duì)阻抗敏感的隨機(jī)噪聲。

　　由于這些3DIC器件具有從芯片到板級(jí)的大范圍諧振頻率，全面充分優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)PDN已經(jīng)變得更加重要。顯然，現(xiàn)在需要更廣泛的分析。