原文作者：Suny Li

導(dǎo)語：隨著摩爾定律的臨近極限，如何在小小的芯片上集成更多的器件，成為新的挑戰(zhàn)。為此，集成電路設(shè)計(jì)的“新思路”成為解題關(guān)鍵。本文從芯片架構(gòu)創(chuàng)新角度來闡釋電路設(shè)計(jì)新思路。

一? ?以3D的視角設(shè)計(jì)集成電路

在傳統(tǒng)大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)者把整個電子系統(tǒng)集成在一個芯片中，微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核，存儲器或片外存儲控制接口，都被集成在單一芯片上，形成一顆SoC上，并使用同一種工藝制造。 ? 由于芯片上的集成是基于2D集成技術(shù)，作為功能單元的晶體管均位于同一個平面上，即在晶圓平面上雕刻出納米級的晶體管。 ? 隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，芯片的面積也會越來越大，這直接導(dǎo)致芯片良品率的下降。另外，隨著工藝節(jié)點(diǎn)逼近物理極限，摩爾定律也日漸式微，人們亟需找到新的方法來延續(xù)技術(shù)的發(fā)展，SiP與先進(jìn)封裝技術(shù)、Chiplet與異構(gòu)集成技術(shù)相繼出現(xiàn)，成為延續(xù)摩爾定律的良方妙藥。 ? 今天，我們再進(jìn)一步，提出一個新思路，即以3D的視角設(shè)計(jì)集成電路。 ? 同樣以設(shè)計(jì)一顆SoC為例，我們不再把微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核，存儲器或片外存儲控制接口設(shè)計(jì)在同一個晶圓平面，而是把他們分別設(shè)計(jì)在不同的樓層(Storey)，然后再將這些樓層組合起來，形成一個完整的芯片，如下圖所示。 ?

? 從圖中我們可以看出，每個Storey均有一層晶體管，并有多層布線將這些晶體管相互連接，不同的Storey之間采用TSV和RDL互連 (主要是TSV，RDL是在有些情況下，為了上下Storey金屬互連對齊時用到) 。 ? 對于不同的Storey (樓層) ，可以采用不同的工藝節(jié)點(diǎn)制造，同一個樓層上的晶體管，需要采用同樣的工藝節(jié)點(diǎn)制造。 ? 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)集成電路的人可能會想，Storey之間的互連是先進(jìn)封裝要干的事情。在本文中，情況發(fā)生了一些改變：從集成電路設(shè)計(jì)一開始，就要從三維的角度考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)了。 ? 因?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)離不開EDA工具，因此，“新思路”的難點(diǎn)其實(shí)在EDA工具這一塊，這也可以看成是集成電路設(shè)計(jì)和先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)的融合，而融合的起點(diǎn)在于EDA設(shè)計(jì)工具的融合。 ?

二? ?對EDA工具的新要求

傳統(tǒng)的IC版圖設(shè)計(jì)工具，先在硅基底上設(shè)計(jì)晶體管、電阻、電容等元器件，然后再通過多層布線將其連接，其信號互連和最終的布線都是在一個Storey上完成。 ? 在新的設(shè)計(jì)思路下，由于存在多個Storey，因此，除了考慮Storey之內(nèi)的信號互連和布線，還需要考慮Storey之間的信號互連和布線。因此其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和布線均是立體的，我們可稱之為立體網(wǎng)絡(luò)和立體布線。 ? 因?yàn)槟壳斑€沒有EDA工具能夠支持多個Storey這類的設(shè)計(jì)，因此無法找到確切的圖形來描述。下面兩張圖可暫且作為一個近似的描述：元器件位于空間的不同位置，其網(wǎng)絡(luò)的互連是立體的。 ?

? 同樣，當(dāng)布線完成時，其布線也是立體的，除了Storey內(nèi)部的元件需要布線連接，Storey之間也需要通過TSV和RDL連接。 ?

? 從上面的描述我們可以看出，EDA工具需要具備多版圖網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的能力，即能夠在一個空間內(nèi)，同時優(yōu)化多個版圖之間的網(wǎng)絡(luò)連接，多個版圖以虛擬堆疊的形式位于空間的不同Storey。 ? 同時，IC版圖設(shè)計(jì)工具能同時處理多版圖設(shè)計(jì)，多個版圖可以位于同一個設(shè)計(jì)環(huán)境，也可以位于不同的設(shè)計(jì)環(huán)境，但多個版圖之間的數(shù)據(jù)交互需要統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。 ? 目前，還沒有這樣的IC版圖設(shè)計(jì)工具，但已經(jīng)有類似的工具在先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)中出現(xiàn)，具備近似的能力，例如HDAP高密度先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)工具XSI和XPD之間的協(xié)同設(shè)計(jì)。 ? 當(dāng)然，除了設(shè)計(jì)工具，EDA仿真和驗(yàn)證工具也同樣要跟上步伐。首先，對于設(shè)計(jì)工具構(gòu)建的復(fù)雜數(shù)據(jù)模型，仿真和驗(yàn)證工具要能夠正確解析。 ? 然后，仿真工具通過更強(qiáng)大的算法，進(jìn)行仿真并得到正確的結(jié)果，驗(yàn)證工具則需要保證從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的正確性和精準(zhǔn)性。 ?

三? ?Cubic IC 設(shè)計(jì)方法學(xué)

上面描述的集成電路，有別于傳統(tǒng)的基于晶圓平面的集成電路，我們給其起了一個新的名稱：立方體集成電路 Cubic IC，可簡稱為CIC。 ? Cubic IC 由于其結(jié)構(gòu)中包含了多個器件層，因此其設(shè)計(jì)方法和思路與傳統(tǒng)IC是完全不同的。 ? 在傳統(tǒng)IC的版圖設(shè)計(jì)中，我們需要將不同的功能模塊，按照2D的方式安排在版圖的不同區(qū)域，如下圖所示為海思麒麟980的版圖設(shè)計(jì)。 ?

? 按照 Cubic IC 的設(shè)計(jì)思路，我們可以將麒麟980的版圖設(shè)計(jì)沿著淺藍(lán)色的虛線分割成四部分，然后再將它們分別安排到不同的Storey，虛擬疊加起來，如下圖所示。 ?

? 每一個Storey內(nèi)部的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)相同，各個樓層Storey之間，通過TSV和RDL相連接，在設(shè)計(jì)的過程中，需要進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。 ? 這樣的話，芯片面積就減小為原有的1/4，并且由于采用了3D疊加方式，部分模塊之間的互連距離更短，從而性能也會得到提升。 ? 那么，最多可以疊加多少層呢？我們可以這么估算，Storey疊加的層數(shù)越多，芯片的面積就越小，一直到芯片堆疊的總厚度和芯片的長或?qū)挼臄?shù)值相當(dāng)，即形成一個立方體，這也是立方體集成電路Cubic IC名稱的由來。 ? 我們以一個指尖大小的Cubic IC為例，假設(shè)其長和寬各為10mm，采用Cubic IC的設(shè)計(jì)思路，如果每個Storey減薄到50um，那么最多可以堆疊到200層，形成一個立方體集成電路。 ? 有人可能會問，形成立方體后，還可以堆疊更多嗎？理論上講是可以，但不建議，原因在后面講述。 ? 在Cubic IC的設(shè)計(jì)方法學(xué)中，整個芯片的最大厚度盡可能不超過芯片的長(寬)，也就是，正立方體是其設(shè)計(jì)和制造的極限，其產(chǎn)品可以是一個扁平的立方體，而不建議是一個柱狀的立方體。 ?

? 因此，我們在設(shè)計(jì)Cubic IC時，如果設(shè)置了芯片的長和寬，當(dāng)芯片長和寬相等時，其厚度的最大值等于長(寬)，如下圖A所示的范圍。 ? 并不是所有的Cubic IC都需要堆疊到一個正方體的形狀，可根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)其堆疊層數(shù)和厚度，例如下圖B所示的范圍。 ?

? 如果立方體的長和寬不相等，則厚度最大值取長寬二者的較小值。不過我建議最好保持長和寬相等，這樣芯片的材料利用率會更高。 ? 為什么正立方體被設(shè)計(jì)為 Cubic IC 設(shè)計(jì)和制造的極限呢？這就牽扯到信號傳輸距離的問題。我們知道，當(dāng)信號在平面上傳輸時，信號在一個周期內(nèi)可訪問到的區(qū)域是一個圓。 ?

? 隨著信號頻率的升高，圓的半徑會逐漸減小，圓的面積可能會小于芯片的面積，也就是說，即使在同一個芯片上，信號在一個時鐘周期內(nèi)也未必能夠達(dá)到。 ? 這時候，曾經(jīng)在PCB板級系統(tǒng)出現(xiàn)的內(nèi)存墻現(xiàn)象在單個芯片上也會出現(xiàn)。 ? 如何能延緩甚至解決這個問題呢？就是向Z軸方向的空間發(fā)展。我們可以想象一個動態(tài)的過程，如果芯片內(nèi)的晶體管總量保持不變，在向Z軸發(fā)展的過程中，XY軸是在不斷縮小的，一直到Z軸的和XY軸相等，形成一個正立方體。這時候信號在整個芯片中傳輸能耗最小，芯片性能也會最佳。 ? 當(dāng)Z軸超越XY軸時，由正立方體逐漸變?yōu)橹鶢盍⒎襟w，芯片整體的能耗不再降低反而會升高，性能也會下降，和我們的設(shè)計(jì)初衷是違背的。這也解釋了上面我們不建議Cubic IC 發(fā)展為一個柱狀的立方體的原因。 ? 為了能夠精確地描述信號在一個周期內(nèi)可在整個Cubic IC 三維空間內(nèi)傳播的情況，我提出了一個李特思空間 LITS 的概念。 ?

四? ?關(guān)于李特思空間 LITS 的描述

? 李特思空間 LITS 是一個介于理想和現(xiàn)實(shí)之間的空間，嚴(yán)格來說是介于理想傳輸和現(xiàn)實(shí)傳輸之間的空間。 ? 李特思空間 LITS 全稱為：Li's Isochronous Transmission Space，李氏等時傳輸空間，簡稱為LITS，中文音譯為“李特思空間”，也寓意著進(jìn)行了特別的思考而得出的空間。這次，我把Li姓加上了，是因?yàn)槲夷壳白哉J(rèn)為是第一個提出并運(yùn)用這個空間的，當(dāng)然如果有人能證明他提出并運(yùn)用這個空間更早，我自然也會拱手相讓。 ? 在了解李特思空間 LITS 之前，我們先了解一下曼哈頓距離和等時傳輸區(qū)域。

? 4.1??曼 哈 頓 距 離?

? 曼哈頓距離是由赫爾曼·閔可夫斯基所創(chuàng)立，用以標(biāo)明兩個點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系上的絕對軸距的和。這位赫爾曼可不是別人，正是愛因斯坦的老師，那位創(chuàng)立了四維時空概念的閔可夫斯基。 ? 曼哈頓距離的正式意義為，在歐幾里德空間的固定直角坐標(biāo)系上兩點(diǎn)所形成的線段對軸產(chǎn)生的投影的距離總和。 ? 在XY平面上，曼哈頓距離如下圖所示，即A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的曼哈頓距離為，兩點(diǎn)之間的直線距離在X軸和Y軸投影之和。 ?

? 4.2??等 時 傳 輸?區(qū) 域?

? 在第三節(jié)中，我們講到，當(dāng)信號在平面上傳輸時，信號在一個周期內(nèi)可訪問到的區(qū)域是一個圓。而實(shí)際情況并非如此，問什么呢？ ? 因?yàn)樵趯?shí)際的芯片的布線中，布線基本都是橫平豎直的，下圖所示為某存儲芯片的金屬布線1000倍顯微圖像，可以看出，所有的布線都是橫平豎直的。 ?

? 因此，我們可以得出，在芯片中從A點(diǎn)到B之間的物理布線距離，實(shí)際就是曼哈頓距離。那么，在相等時間內(nèi)，信號在芯片上向不同方向傳播，可傳輸?shù)木嚯x范圍就不是一個圓，那會是什么樣的圖形呢？ ? 下面，我們詳細(xì)分析一下。 ? 例如在一個時鐘周期內(nèi)，信號在芯片平面上可傳輸?shù)木嚯x為 r，以 r 為半徑的圓是信號在理想情況下可傳輸?shù)木嚯x范圍。例如圓上的C點(diǎn)和B點(diǎn)。因?yàn)樾酒系膶?shí)際布線遵循著曼哈頓距離布線的原因，同一個時鐘周期C點(diǎn)可以到達(dá)，而B點(diǎn)是不能到達(dá)的，只能到達(dá)中間的B’點(diǎn)，如下圖所示。實(shí)際的布線路徑也不會是1所代表的虛線，而可能是2代表的路徑。 ?

? 以A點(diǎn)為原點(diǎn)構(gòu)建坐標(biāo)系，根據(jù)曼哈頓距離的定義，C點(diǎn)和B’點(diǎn)都滿足其X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的投影之和相等，我們可得到等式：x + y = r，擴(kuò)展到其它象限，我們可得出?｜x｜+｜y｜= r，四個象限的線段剛好組成了一個傾斜角為45度的正方形。 ?

? 由此，我們可以得出，在芯片面積內(nèi)，雖然在相等時間內(nèi)(某一個時鐘周期)，理想的傳輸距離范圍是一個圓，而實(shí)際的傳輸范圍是一個45度傾斜的正方形。 ?

? 有一些特殊情況，例如芯片上的布線不完全遵循曼哈頓距離布線，而是部分走了斜線，則傳輸?shù)木嚯x位于45度傾斜的正方形和其外接圓之間的區(qū)域。我們可稱之為等時傳輸區(qū)域 Isochronous Transmission Area，可簡稱為ITA。 ? 4.3??LITS?空 間?? ? 在本文中，我們描述的主要對象是立方體集成電路 Cubic IC，信號的傳輸距離范圍不僅僅在二維平面，而是在三維空間。那么，信號在三維空間傳輸，又會遵循什么樣的規(guī)律呢？ ? 在理想情況下，信號在某一點(diǎn)向空間傳播，在相等時間內(nèi)(某一個時鐘周期)，理想的傳輸距離范圍是一個球，而實(shí)際的傳輸范圍是什么樣的呢？ ? 在Cubic IC中，其布線的原則同樣遵循曼哈頓距離的原則，即沿著X軸Y軸Z軸的方向，因?yàn)槁D距離通常應(yīng)用于平面上的兩點(diǎn)，因此，在這篇文章中，空間兩點(diǎn)的曼哈頓距離我們稱之為空間曼哈頓距離。 ? 在Cubic IC中，從一點(diǎn)出發(fā)，以空間曼哈頓距離的方式進(jìn)行布線，在相等時間內(nèi)(例如某一個時鐘周期)，實(shí)際的傳輸距離范圍可用方程??｜x｜+｜y｜+｜z｜= r 來描述，這是一個正八面體的表面方程。 ? 由此，我們可以得出，在 Cubic IC中，從某一點(diǎn)出發(fā)，在相等時間內(nèi)，實(shí)際的傳輸距離是一個正八面體的表面。而理想的傳輸距離是一個球的表面。球和正八面體為內(nèi)外相接的關(guān)系。 ? 李特思 (LITS) 空間定義：球體與其內(nèi)接正八面體之間的空間，稱為李特思空間，其空間大小為： LITS = 4/3(π-1)r3 ? 該空間占整個 Cubic IC 立方體的空間比為： 4/3(π-1)r3÷?(8r3)=0.36 ? 這就是說，在一個虛擬的Cubic IC 立方體內(nèi)，有36%的空間是從實(shí)際等時傳輸?shù)嚼硐氲葧r傳輸之間的空間。 ? 這個空間的重要意義在于，在設(shè)計(jì)Cubic IC 時，可作為在3D空間布局IP單元時的依據(jù)或參考。 ? 下圖所示為LITS空間的圖形描述以及在Cubic IC 不同截面的空間大小。 ?

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? LITS空間在不同截面的大小（金黃色區(qū)域） ? 我們知道，如果嚴(yán)格按照空間曼哈頓距離的方式進(jìn)行布線，在相等的時間內(nèi)，只能達(dá)到LITS空間的內(nèi)表面，即正八面體的表面。如果在某些區(qū)域允許走斜線，則會進(jìn)入LITS空間內(nèi)部，但除了個別點(diǎn)，我們通常無法到達(dá)球體的表面，這就是現(xiàn)實(shí)和理想之間的距離。 ? LITS空間是一個虛擬的空間，可以作為設(shè)計(jì)Cubic IC時不同的IP模塊布局的參考依據(jù)，對于時序等長要求高的模塊，盡量安排在LITS空間內(nèi)表面的附近，從而更容易實(shí)現(xiàn)物理上的等長。LITS空間在不同Z軸平面（Storey）上的投影，即可用于對IP模塊的位置進(jìn)行劃分。 ? 在上面的描述中，我們是以Cubic IC 芯片中心作為參考點(diǎn)的情況，對于其它的關(guān)鍵點(diǎn)，也同樣需要構(gòu)建虛擬的LITS空間，從而精確判斷信號傳輸所造成的延遲，精準(zhǔn)地控制信息和指令的傳輸。 ?

五? ?關(guān)于有效功能體積的描述

? 在集成電路中，芯片的功能是由一個個晶體管組成的，我們稱之為功能細(xì)胞Function Cell，由多個功能細(xì)胞可以組成功能塊Function Block，由多個功能塊可以組成功能單元Function Unit。它們統(tǒng)稱為功能單位Function UNITs，有這些功能單位可組成微系統(tǒng)MicroSystem、常系統(tǒng)Common System、大系統(tǒng)Giant System。 ? 我們知道，無論是微系統(tǒng)、常系統(tǒng)、大系統(tǒng)，電子系統(tǒng)的體積中，功能單位所占的體積只占系統(tǒng)總體積的一部分，而其它的體積，并沒有功能，而是作為支撐、保護(hù)等因素而存在的。 ? 在本文中，我們將功能單位Function UNITs所占的體積稱為有效功能體積EFV (Effective Function Volume)。 ? 下面，我們以一顆芯片為例，來解讀一下有效功能體積。 ? 下圖是一個芯片的晶圓側(cè)剖面示意圖，從圖中我們可以看出，按照定義，有效功能體積包含了晶體管層和布線層，總厚度為約為5um，在布線層的上方是絕緣和保護(hù)層，包含聚酰亞胺Polyimide，氮氧化物Oxynitride，未參雜氧化物Undope Oxide，三者總厚度約為5um。 ?

? 在晶體管層的下方是硅基底，其厚度大約為780~800um。通過計(jì)算我們可以得出，上圖中，有效功能體積所占的比例僅為芯片總體積的0.625%，還不到1%。 ? 那么，如何提升有效功能體積所占的比例呢？目前常用的方法就是進(jìn)行晶元減薄。 ? 如果將晶圓減薄到100um，有效功能體積所占的比例為5%，如果將晶圓減薄到50um，有效功能體積所占的比例為10%，如果將晶圓減薄到20um，有效功能體積所占的比例為25%，就此打住吧，因?yàn)?0um可能是目前減薄技術(shù)所能達(dá)到的極限了。 ? 通過晶圓減薄，我們使得有效功能體積占芯片總體積比例增加了40倍。如果依此去計(jì)算其功能密度，功能密度相當(dāng)于增加了40倍。許多人正是從這一點(diǎn)上，認(rèn)為通過先進(jìn)封裝和異構(gòu)集成技術(shù)，還是可以延續(xù)摩爾定律的。 ? 然而，事實(shí)上，這只是一種假象，不能因?yàn)楣δ苊芏鹊脑黾樱驼J(rèn)為摩爾定律是可延續(xù)的。從摩爾定律提出的那一刻起，就注定了摩爾定律只是一個區(qū)間性的定律，最重要的原因就是摩爾定律曲線是指數(shù)增長的曲線，而以指數(shù)規(guī)律增長的曲線，在物理意義上都是不可持續(xù)的。 ? 有了有效功能體積的概念，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時，從最小的功能細(xì)胞Function Cell到最大的大系統(tǒng)Giant System，都應(yīng)該逐級剖析其有效功能體積，并最大可能地提高有效功能體積所占的比例。 ?

六? ?Cubic IC 和 3D Chiplet 的區(qū)別

Cubic IC看起來和3D Chiplet有些相似，都是將大芯片分割后進(jìn)行3D堆疊并通過TSV和RDL電氣互連。然而，它們有幾大不同之處。 ? 為了方便起見，我們后續(xù)可以將 Cubic IC 簡稱為 CIC。 ? 1）CIC 是以3D的View Point去設(shè)計(jì)集成電路，而3D Chiplet則并非從設(shè)計(jì)一開始就從3D的View Point去考慮整個集成電路的設(shè)計(jì)，通常是先考慮各Chiplet接口之間的匹配，并在制造的時候?qū)⑿⌒酒M(jìn)行堆疊并互連。 ? 2）CIC 不同的樓層(Storey)尺寸是完全相同的，堆疊后形成立方體形狀，3D Chiplet可以由不同尺寸的Chiplet組成。 ? 3）CIC 是對未來集成電路設(shè)計(jì)和制造的預(yù)期，3D Chiplet是目前先進(jìn)封裝和異構(gòu)集成可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。 ? 4）Chiplet是IP芯片化的設(shè)計(jì)思路，將不同的IP分割成小芯片后在封裝級別進(jìn)行集成，CIC并不需要將不同的IP分割，而是將這些IP合理地分配到不同Storey的不同區(qū)域。 ? 5）CIC 的樓層(Storey)數(shù)量可以堆疊到幾百層，3D Chiplet目前堆疊的層數(shù)是個位數(shù)。 ? 6）CIC 對EDA工具的要求很高，目前還沒有任何一家EDA工具可以支持，需要后續(xù)EDA廠商的積極研發(fā)，3D Chiplet對EDA工具的要求相對不高，目前的HDAP先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)工具例如XSI+XPD就可以很好支持了。 ? 7）CIC 的功能密度要遠(yuǎn)高于3D Chiplet，因此其實(shí)現(xiàn)的難度和挑戰(zhàn)都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3D Chiplet。 ? 對此，我們可以這么理解，CIC是3D Chiplet甚至整個IC集成電路發(fā)展的終極目標(biāo)，而3D Chiplet則是CIC發(fā)展的初級階段。 ?

七? ?關(guān)于 Cubic IC?制造方法的預(yù)期

我們知道，雖然芯片制造非常復(fù)雜，可細(xì)分為幾千道工藝，但總的來說，可分為三種類型：加工藝、減工藝和輔助工藝。 ? 加工藝也可稱為增材制造，即通過不斷地增加不同的材料，而完成最終的產(chǎn)品。 ? 3D打印就是一種典型的增材制造。在芯片制造中，濺射、離子注入就屬于加工藝。減工藝也可稱為減材制造，芯片制造中，最典型的減工藝就是刻蝕。至于光刻，雖然極其重要，其實(shí)是屬于輔助工藝，因?yàn)楣饪叹褪禽o助將圖形印刷在了晶圓上，并不會使晶圓上的材料增加或者減少。 ? 對于CIC的制造方法，我看可以參考下面一張圖，每一個樓層Storey生成相應(yīng)的掩膜，和傳統(tǒng)的IC制造方法一樣，進(jìn)行光刻、刻蝕、氣相沉積、離子注入、研磨、清洗等操作，然后將每個Storey的晶圓進(jìn)行減薄Thining，通過混合鍵合Hybrid Bonding的方式將晶圓鍵合到一起，最后進(jìn)行切割，得到CIC。 ?

? 八? ?Cubic IC 帶來的挑戰(zhàn)

首先，所有的創(chuàng)新都會帶來新的挑戰(zhàn)，因此Cubic IC必然帶來新的挑戰(zhàn)！ ?

8.1??設(shè) 計(jì)?的 挑 戰(zhàn)??

? 設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)主要來自兩點(diǎn)，1）對EDA工具的挑戰(zhàn)，2）對設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)。 ? 首先，我們來分析一下 CIC 帶來的EDA工具的挑戰(zhàn)，從傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為CIC設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度會急劇提高。我們現(xiàn)在主流的集成電路，其晶體管上方的布線層可能多達(dá)十幾層，如果以CIC的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其Storey可能有數(shù)百層，這樣，組合起來，一個CIC，將會有數(shù)百層晶體管，其布線層更是多達(dá)數(shù)千層。現(xiàn)在看來，這對EDA工具的挑戰(zhàn)是極大的。 ? 同時，為了增加工藝靈活性，CIC允許不同的Storey(樓層)采用不同的工藝節(jié)點(diǎn)制造，例如Storey1采用7nm工藝，Storey2采用5nm，Storey3采用14nm，Storey4采用28nm工藝...... 需要在一個項(xiàng)目中管理多種工藝節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，也給EDA工具帶來了挑戰(zhàn)。 ? 下面，我們分析一下CIC給設(shè)計(jì)人員帶來的挑戰(zhàn)。 ?

從上面第七節(jié)的描述我們得知，在7nm工藝下，指尖大小的1立方厘米尺寸的CIC，其集成的晶體管數(shù)量大約在2.5萬億~5萬億，隨著工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，加上CIC體積的增大，兩種因素疊加起來，其晶體管數(shù)量可能超越100萬億，是現(xiàn)在主流芯片的一萬倍，海量的數(shù)據(jù)如何處理，是帶給設(shè)計(jì)人員和設(shè)備的重大挑戰(zhàn)。 ? 電磁干擾的問題，在1立方厘米中集成了2.5萬億~5萬億的晶體管，在功能密度極大化的同時，會不會帶來電磁干擾的問題，也是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的。 ? 不過也不用過于擔(dān)心電磁干擾問題是由于堆疊層數(shù)太多而引起的，以現(xiàn)在成熟的7nm工藝，芯片間的互連布線間距最小在20~40nm左右，而以目前最先進(jìn)的減薄工藝，可將晶圓減薄到20~40um，通過混合鍵合后，上下層晶體管的距離約為20~40um，可以看出，同一個Storey布線的間距和不同Storey的間距之間還有三個數(shù)量級(1000倍)的差別。因此，即使存在電磁干擾問題，也會先在同一個Storey出現(xiàn)，而解決方法和現(xiàn)在成熟的集成電路相仿即可。 ?

8.2??制 造?的 挑 戰(zhàn)??

? CIC是集成電路設(shè)計(jì)的新思路，必然包含新工藝和新方法，因此，能否制造出來是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 ? 首先是每一個Storey的制造，這和傳統(tǒng)的IC制造方法并沒有特別大的區(qū)別，最主要的區(qū)別是在每個晶圓上事先要將進(jìn)行Storey之間互連的TSV制作出來。并且要保證不同的Storey之間互連的對準(zhǔn)，如果由于結(jié)構(gòu)原因，上下層Storey的TSV無法對準(zhǔn)，則需要通過RDL來進(jìn)行輔助對準(zhǔn)。 ? 然后，就是Storey之間的鍵合，現(xiàn)在有了混合鍵合工藝Hybrid Bonding，互連間距可以縮小到10um，相當(dāng)于在1平方毫米可以多達(dá)10000個互連，在未來，Hybrid Bonding可支持每平方毫米100萬個互連，這樣的互連密度，是可以滿足CIC的需求的。

? 8.3??散 熱?的 挑 戰(zhàn)?

? ? 以CIC的思路去設(shè)計(jì)集成電路，必然會形成空間功能密度的極大化，而晶體管數(shù)量的劇增必然帶來熱量的增加，如何把這些熱量散發(fā)出去呢？ ? 首先，要相信，這個問題是可以解決的！ ? 先回顧一下芯片耗能和散熱的歷史。在2001年的國際固態(tài)電子電路會議上，專家們曾經(jīng)指出，如果芯片耗能和散熱的問題得不到解決，到2005年芯片上集成了２億個晶體管時，就會熱得像“核反應(yīng)堆”(1000℃)，到2010年時就會達(dá)到火箭發(fā)射時噴嘴的高溫水平(3000℃)，而到2015年就會與太陽的表面一樣熱(6000℃)。 ?

20年過去了，我們手機(jī)中的處理芯片晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了百億級別，芯片的溫度既沒有像太陽表面一樣熱，也沒有達(dá)到火箭噴嘴的水平，更不用擔(dān)心手里的握著“核反應(yīng)堆”。目前我們手機(jī)里的主要芯片晶體管數(shù)量都在100億量級，是專家們曾經(jīng)預(yù)測的50倍，依然可以穩(wěn)定地工作，手機(jī)拿在手中，大多數(shù)時間我們甚至都很難感受到芯片發(fā)出的熱量。可見芯片工程師的智慧還是可以相信的。 ? 具體如何解決芯片耗能和散熱的問題，主要從兩大方面考慮，1）降低芯片功耗，2）降低散熱通道的熱阻。降低芯片功耗可以從動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗、傳輸功耗三個方面入手；降低散熱通道的熱阻可以從新傳熱材料、新散熱結(jié)構(gòu)兩方面考慮。 ?

總 結(jié)

這篇文章中提到的幾個重要概念：如立方體集成電路CIC，等時傳輸區(qū)域ITA，李特思空間LITS，有效功能體積EFV。 ? ? CIC的設(shè)計(jì)與制造，是一個非常難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)需要努力。

編輯：黃飛

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