專家在座：半導(dǎo)體工程坐下來討論了對(duì) 3D-IC 的初步嘗試以及早期采用者將遇到的問題，西門子 EDA 產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) John Ferguson;Mick Posner，Cadence 計(jì)算解決方案事業(yè)部 IP 解決方案小芯片高級(jí)產(chǎn)品組總監(jiān);莫維盧斯的莫·費(fèi)薩爾;是德科技新機(jī)會(huì)業(yè)務(wù)經(jīng)理 Chris Mueth 和新思科技 3D-IC 編譯器平臺(tái)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Amlendu Shekhar Choubey。

從左到右：是德科技的 Mueth;Synopsys 的 Choubey;西門子 EDA 的弗格森;莫維盧斯的費(fèi)薩爾;Cadence 的 Posner。

SE：大型芯片制造商和系統(tǒng)公司正在構(gòu)建完整的 3D-IC 原型。您認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)是什么？

Mueth：問題在于合并多種技術(shù)，包括用于構(gòu)建這些東西的過程。有一個(gè)可靠性因素和一個(gè)可制造性因素。這不僅僅是一種電氣設(shè)計(jì)。電氣部分與所有多物理場相互依賴。我們?cè)趦?nèi)部制作自己的小芯片，并且我們一直在努力提高性能。但 3D-IC 還與可靠性和成本有關(guān)。小芯片很貴。您必須為部署小芯片的作業(yè)選擇正確的應(yīng)用程序。

Ferguson：我們正在從多物理場的角度和流程實(shí)現(xiàn)來整合這一切。目前，很多焦點(diǎn)都集中在熱應(yīng)力上。特別是，我們看到的不僅僅是從傳統(tǒng)可靠性的角度來看熱應(yīng)力，您必須擔(dān)心分層或顛簸被剪切以及連接丟失。還有應(yīng)力的電影響，改變晶體管的行為方式。這并沒有被捕捉到，這是我們現(xiàn)在關(guān)注的重要組成部分。

費(fèi)薩爾：我們正在從芯片的靜態(tài)管理轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)管理。曾經(jīng)有數(shù)據(jù)平面和控制平面，但電源管理/性能管理平面正在興起。這對(duì)芯片的功率和性能產(chǎn)生了巨大影響，尤其是當(dāng)我們轉(zhuǎn)向 3D-IC 時(shí)，因?yàn)槿绻覠o法探測堆棧中的第三號(hào)芯片，我該如何調(diào)試它？如何找出問題？第三層平面變得越來越重要。但具體來說，我們正在從靜態(tài)設(shè)計(jì)、過度設(shè)計(jì)，然后希望某些東西在硅中有效，到實(shí)際檢測它并使其在現(xiàn)場動(dòng)態(tài)管理。這更多是從建筑方面來的。

Choubey：從 EDA 平臺(tái)的角度來看，問題是如何從 2D 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向 3D-IC 設(shè)計(jì)。您如何將系統(tǒng)和設(shè)計(jì)中的所有復(fù)雜性（例如多物理場）引入系統(tǒng)和設(shè)計(jì)中，并在設(shè)計(jì)過程的早期很好地管理它們，以便在您到達(dá)最后時(shí)，您不會(huì)被增加三到四個(gè)月周轉(zhuǎn)時(shí)間的事情所困擾？我們習(xí)慣了 2D 設(shè)計(jì)中的線性流程，您從平面規(guī)劃開始，進(jìn)行電氣和電力，然后將其交給封裝設(shè)計(jì)人員，他們將考慮所有系統(tǒng)級(jí)的事情——如何分解它，如何進(jìn)行散熱。這不適用于 3D-IC。如果你先做“這個(gè)”，然后做“那個(gè)”，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題，讓你倒退九個(gè)月。九個(gè)月是你的總設(shè)計(jì)周轉(zhuǎn)時(shí)間。因此，您需要一個(gè)考慮到所有這些多物理場效應(yīng)和電效應(yīng)的平臺(tái)，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ヒ蕾嚨?。它們不是?dú)立的。而且你必須將要使用的工藝節(jié)點(diǎn)歸零。你打算使用多個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)還是只使用一個(gè)？你打算堆疊還是水平？你應(yīng)該有某種方式來了解所有這些影響將如何相互作用并影響你的設(shè)計(jì)，然后做出決策并不斷完善它。你需要一個(gè)非常強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析能力，這樣隨著你的設(shè)計(jì)的成熟，你才能獲得做出這些決策的最佳信息，并可以得到一個(gè)正確的設(shè)計(jì)。你沒有時(shí)間發(fā)現(xiàn)你的熱問題導(dǎo)致你的時(shí)間無法滿足，或者現(xiàn)在你必須回去重新規(guī)劃或?qū)⒛愕脑O(shè)計(jì)重新劃分為多個(gè)小芯片。這不會(huì)發(fā)生。您需要一個(gè)將所有這些整合在一起的平臺(tái)，并以一種在我們習(xí)慣的不同單點(diǎn)工具之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和導(dǎo)出/導(dǎo)入的開銷最小化的方式做到這一點(diǎn)，或者在最好的情況下消除。

波斯納：讓我們?cè)賮砻枋鲆幌隆?D 堆疊并不適合所有人。它并不適用于所有人。除非它提供您需要的東西，否則您不會(huì)承擔(dān)這種復(fù)雜程度，那就是計(jì)算擴(kuò)展，也許是計(jì)算到內(nèi)存的連接。我們相信這是一個(gè)需要解決的問題，但并不是每個(gè)人都有問題。這些解決方案將可供所有人使用。多芯片為您提供可擴(kuò)展性，并且更適用于不同的應(yīng)用。3D 增加了一定程度的復(fù)雜性、多物理場，以及我們?cè)谶@里討論的一切。挑戰(zhàn)在于公司需要進(jìn)行的投資。他們會(huì)從投資中獲得回報(bào)嗎？解決問題的方法有很多種，3D堆疊就是其中之一。主要挑戰(zhàn)之一是使用工具和知識(shí)產(chǎn)權(quán)來自動(dòng)化流程，以便您可以加快上市時(shí)間，因?yàn)槿绻@些技術(shù)延遲了您，那么您將錯(cuò)過市場窗口。

SE：是成本、復(fù)雜性還是工具，還是以上所有？你從哪里開始解決這個(gè)問題？

波斯納：這是復(fù)雜性和稀缺性的混合體。2025 年將是 3D 原型之年。今年將決定未來 3D 堆疊的成功程度。第一批進(jìn)入 3D 設(shè)計(jì)領(lǐng)域的公司正在使用手動(dòng)流程、早期版本的工具、早期版本的制造和 PDK。3D 的前景將取決于這些原型在 2025 年的成功。

弗格森：歸根結(jié)底是風(fēng)險(xiǎn)。如果您來自 2D 世界，那么我們?cè)诤艽蟪潭壬嫌兄凭玫臍v史。我們知道如何正確地做這件事。完全失敗的可能性非常小。當(dāng)您進(jìn)入 3D 空間時(shí)，您會(huì)添加許多新的不確定性，而您在 2D 中不必?fù)?dān)心這些不確定性。所以現(xiàn)在你必須考慮，'如果我要冒這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，但我做錯(cuò)了，那會(huì)付出什么代價(jià)？對(duì)我的業(yè)務(wù)有什么影響？另一方面，如果我做對(duì)了并且我早早出局，那會(huì)讓我領(lǐng)先多少？你必須平衡這些事情。有些東西，比如人工智能，你必須去 3D-IC。但如果你能不做 3D-IC，并不是每個(gè)人都會(huì)使用它。如果您在該領(lǐng)域有一個(gè)不是 3D-IC 的解決方案，那么這是正確的做法。您將節(jié)省時(shí)間和金錢，并且在產(chǎn)量或可靠性方面都不會(huì)有相同的故障可能性。

費(fèi)薩爾：我同意風(fēng)險(xiǎn)。然而，我在市場上看到的一個(gè)更簡單的第一步是，你不是堆疊內(nèi)存或邏輯，而是解決電力傳輸問題。高通 Nuvia 芯片的封裝中嵌入了 3D 電容器。這帶來了 20% 到 30% 的能效提升。從技術(shù)上講，它是 3D 的，但風(fēng)險(xiǎn)較低的問題陳述。它不會(huì)破壞設(shè)計(jì)。也許會(huì)稍微影響效率，但這是值得的。Graphcore還有另一個(gè)芯片，他們做到了這一點(diǎn)。他們堆疊了電容器以提高芯片的效率。因此，作為一名工程師，這可能是獲得 3D 并獲得 20% 到 30% 效率的一種風(fēng)險(xiǎn)較低的方法，這與堆疊邏輯或內(nèi)存不同。您會(huì)看到較小的公司遲早會(huì)推出該版本的 3D。

Choubey：今天可能并不適合所有人，但這只是時(shí)間問題。總有先驅(qū)者，要么是因?yàn)樗麄兛梢酝顿Y一項(xiàng)技術(shù)，要么是因?yàn)樗麄冇衅惹械男枨?。然后技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)降低，然后傳播開來。3D 堆疊目前主要用于 AI 應(yīng)用，但人們會(huì)找到自己的利基應(yīng)用，它就會(huì)到那里。這可能需要一些時(shí)間。但這項(xiàng)技術(shù)會(huì)成熟，然后我們將看到許多其他應(yīng)用將由此產(chǎn)生。當(dāng) place-and-route 首次問世時(shí)，它并不適合所有人。這需要大量投資，而且不確定。然后它成熟了，現(xiàn)在你無法想到?jīng)]有自動(dòng)化 P&R 的 2D 設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要大量的自動(dòng)化和統(tǒng)一。將要進(jìn)行這些設(shè)計(jì)的人來自 2D 世界。他們有多年的 2D 經(jīng)驗(yàn)。我們需要讓 3D 與 2D 有一定等價(jià)物。它有其自身的挑戰(zhàn)和復(fù)雜性，但它必須達(dá)到 2D 設(shè)計(jì)師可以說的地步，'我理解這一點(diǎn)。我知道這是怎么回事。我可以最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)并設(shè)計(jì)出比 2D 設(shè)計(jì)更多的東西。圣杯是，有一天你會(huì)像現(xiàn)在在 2D 中一樣在 3D 系統(tǒng)中進(jìn)行 P&R。在生態(tài)系統(tǒng)中，我們有責(zé)任提出平臺(tái)并運(yùn)行具有所有設(shè)計(jì)規(guī)則和所有標(biāo)準(zhǔn)化的 PDK。然后，您就可以看到多芯片解決方案在各行各業(yè)的潛力。

Mueth：這涉及很多風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗杀靖甙海医裉鞗]有產(chǎn)量。所有這些都需要開發(fā)仍需成熟的流程和工作流程，以及能夠從多物理場和電氣方面處理異構(gòu)設(shè)計(jì)的 3D 設(shè)計(jì)平臺(tái)。您需要選擇您的應(yīng)用程序，而不是試圖將所有內(nèi)容都嵌入到芯片中。在某些情況下，您可以從中受益。您必須權(quán)衡該特定用例與傳統(tǒng)方法。例如，在內(nèi)部，我們正在做亞太赫茲射頻。將其放入小芯片中確實(shí)是一個(gè)很好的優(yōu)勢(shì)。但是，一旦我們能夠?qū)⒃撔盘?hào)轉(zhuǎn)換為可以通過 2D 設(shè)計(jì)方法處理的東西，它就會(huì)便宜得多，產(chǎn)量也會(huì)更高。因此，您只想選擇有意義的用例。

SE：第一步是預(yù)集成小芯片和模塊嗎？

Faisal：在3D-IC甚至2.5D系統(tǒng)中，突然間你開始獲得二階、三階和四階效果，比如振鈴和功率晃動(dòng)，這是你甚至無法提前想象的?？吹竭@一點(diǎn)的唯一方法是將一堆小芯片放入一個(gè)包中，然后您就會(huì)開始看到這些隨機(jī)音調(diào)出現(xiàn)在您的電網(wǎng)上。但你不會(huì)知道它們來自哪里。好吧，它們來自同一基板上具有獨(dú)特工作負(fù)載的多個(gè)小芯片的相互作用。不僅如此，您一周中的每一天可能都有不同的工作量。工作負(fù)載的變化速度比我們周轉(zhuǎn)芯片的速度還要快，因此這成為一個(gè)非常有趣的問題。

SE：通過下載一個(gè)小芯片的軟件更新，工作負(fù)載可能會(huì)發(fā)生變化，對(duì)吧？

費(fèi)薩爾：是的，沒錯(cuò)。

SE：那么，我們是否已經(jīng)到了要處理 80/20 規(guī)則的地步，因?yàn)槟銦o法為無休止的一系列一次性設(shè)計(jì)開發(fā)工具？我們需要流程讓工具發(fā)揮作用，除非你非常清楚要構(gòu)建什么，否則你無法獲得這些流程。這里會(huì)有足夠的共性嗎？

Mueth：這很棘手，因?yàn)槟阈枰x擇你的應(yīng)用程序。它們往往是定制的。這并不是說你可以采用一種小芯片配置，它將成為每個(gè)人都使用的下一個(gè) SoIC 包。事實(shí)并非如此。

Posner：我們?cè)诙询B中遇到的是功率密度。它是特定于設(shè)計(jì)的。以計(jì)算堆疊為例。計(jì)算是功耗密集型的，因此這是非常自定義的。您不能使用標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)陣列并期望滿足該應(yīng)用的電源要求。這就是熱的用武之地。該技術(shù)的效率如何？您希望在模具之間轉(zhuǎn)移的皮焦耳/位是多少？所有這些都會(huì)影響您的信號(hào)和電源完整性、熱和機(jī)械翹曲。

Mueth：標(biāo)準(zhǔn)包裝適用于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。但我們?cè)谶@里談?wù)摰牟皇菢?biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。

Posner：我個(gè)人認(rèn)為 3D 多年來不會(huì)成為主流，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)、復(fù)雜性和成本。您要做的是創(chuàng)建工具，以逐個(gè)應(yīng)用程序解決非常具體的大客戶用例。