對更高性能和更強功能的不懈追求，推動半導體行業經歷了多個變革時代。最新的轉變是從傳統的單片SoC轉向異構集成先進封裝IC，包括3D IC。這項新興技術有望助力半導體公司延續摩爾定律。

然而，這些進步也帶來了日益復雜的挑戰，尤其是在電源完整性（PI）和信號完整性（SI）方面。曾處于次要地位的SI/PI，如今已成為現代半導體開發中的關鍵學科。隨著數據速率攀升至每秒數千兆比特，電源要求愈發嚴苛，誤差裕量急劇縮小，使得SI/PI專業知識變得不可或缺。核心挑戰在于確保信號在復雜系統中實現干凈可靠的傳輸，以及穩定的電源配送。

本文將通過對比3D IC與傳統SoC，闡釋3D IC設計中獨特的SI/PI挑戰。隨后，我們將探討一種應對這些復雜性的漸進式驗證策略，分析3D IC生態系統中各利益相關方的角色與相互依賴關系，并通過一個實際成功案例加以說明。最后，我們將討論這些創新如何推動半導體設計的未來。

▲基礎信號完整性問題

01傳統SI/PI方法與3D IC方法對比

對于旨在用于PCB系統的傳統SoC組件，SI和PI分析通常在系統集成之前驗證單個組件。這種方法通常將SoC、封裝和PCB視為獨立實體，允許按順序進行分析和優化。例如，可以在單片SoC及其封裝上執行組件級電源需求分析，而信號完整性分析則驗證單個通道。設計過程通常由不同的封裝和PCB團隊并行開展。這些團隊最終協作管理設計權衡，例如在封裝和PCB之間分配時序或電壓裕量，以適應布線約束。雖然這種方法對傳統設計有效，但這種分塊式方法難以應對3D IC固有的復雜性。

3D IC的架構不僅僅是組件的集合，更是一個高度集成的微型子系統系統，其特點是多個芯片的垂直堆疊。芯片間接口、硅通孔（TSV）和微凸塊創建了一個密集、高度互動的電氣環境，其中電源完整性和信號完整性問題深度交織，并可能在多個層級間傳播。芯片的緊密集成和鄰近性引入了新的耦合機制和電源配送挑戰，這些無法通過順序、孤立的分析有效解決。因此，與傳統流程不同，3D IC需要從一開始就進行整體、并行的驗證，SI和PI分析需盡早啟動并同時涵蓋所有組成部分。

02漸進式驗證：

應對3D IC復雜性的核心策略

為應對3D IC設計的復雜局面，采用漸進式驗證策略至關重要。這一原則承認設計信息在早期階段是稀疏的，并逐漸變得詳細。漸進式驗證的核心思想是盡可能早地利用可用輸入開始分析，引導設計走上正確路徑，并將最終驗證步驟轉變為對基本問題的確認，而非發現問題。

▲漸進式驗證流程

隨著細節的逐步完善，針對不同的分析需求進行處理，從最少的輸入開始，逐漸納入更具體的數據。讓我們深入解析設計流程中涉及的關鍵分析階段及其實施要點。

早期架構可行性及布局前分析

在初始設計階段，詳細的布局信息尚未獲得，重點在于架構可行性研究。這包括估算功耗預算和定義高層接口。即使輸入粗略，早期分析也可以開始。例如，布局前信號完整性分析可以對代表性的互連結構（如中介層橋接）進行建模。通過基于初步尺寸確定可實現性能的“范圍”，設計人員可以為后續布局階段建立現實的期望和指導方針。這種主動方法有助于識別潛在瓶頸，確保穩固的電氣基礎。

布局規劃和實施驅動分析

隨著設計進入布局規劃和初始實施階段，早期分析的指導方針被轉化為物理布局。在此階段，可以進行更深入的分析。這包括詳細的電源配送網絡（PDN）分析，以驗證跨堆疊芯片和基板的電源分配。帶有實際組件互連的信號路徑驗證也可以開始，從而能夠早期識別和優化關鍵信號路由。這種布局和分析的迭代過程允許持續優化，確保物理實施符合電氣性能目標。

基于供應商特定IP的詳細電氣分析

漸進式驗證的最后階段涉及利用實際的供應商特定知識產權（IP）模型進行全面的電氣分析。鑒于3D IC芯片間標準（如UCIe、BoW、AIB）尚處于發展初期，不如DDR或PCIe等成熟協議完善，這種詳細分析更為關鍵。設計人員對阻抗網絡進行深入的S參數建模，并將從芯片設計人員等利益相關方獲得的高精度電流值饋入這些模型。這種精細化的分析為設計的電氣性能提供了完整的閉環，確保所有關鍵信號路徑和電源配送機制在真實工作條件下滿足規范。

033D IC生態系統：協同制勝的關鍵

3D IC設計的復雜性需要一個高度協作的環境，涉及具有獨特視角和挑戰的多樣化利益相關方。這些團隊之間的有效溝通和早期參與對于成功集成至關重要。

1系統架構師

負責高層布局規劃，確定小芯片（Chiplet）數量、基帶芯片以及它們之間所需的通信通道。他們的挑戰在于優化整體系統架構的性能、功耗和面積，同時考慮3D集成帶來的物理約束。

2芯片設計人員

專注于單個芯片架構，并負責I/O規劃和內部電源分配。他們必須準確傳達其電源需求和I/O特性，以確保堆疊系統內的兼容性。

3布局團隊

負責物理實施，包括芯片級布局、基板布局以及任何硅互連（例如中介層和橋接）。通常，不同的布局團隊可能處理實施的不同方面，需要細致的協調。

4SI/PI和驗證團隊

充當技術顧問，在各個層級提供指導方針和反饋。他們的角色是在整個設計周期中主動識別和緩解潛在的SI/PI問題。

5機械和熱管理團隊

分別確保結構完整性和管理散熱。兩者對于設計的長期可靠性和性能都至關重要。

通過采用漸進式驗證方法，這些不同的利益相關方可以進行早期和持續的溝通，培養協作環境，從而顯著簡化功能可靠3D IC設計的構建過程。

04成功實踐：Chipletz的概念驗證

漸進式驗證策略和協作生態系統的有效性最好通過實際應用來證明。開創性的無晶圓廠基板初創公司Chipletz通過與EDA供應商的戰略性合作，成功應對了3D IC設計的復雜性，堪稱典范。

▲Chipletz Smart Substrate

Chipletz選擇西門子作為其Smart Substrate產品的戰略EDA供應商，特別尋求能夠支持先進3D IC設計需求的工具。當時，許多行業標準EDA工具主要針對傳統封裝和PCB架構。Chipletz提出了一個艱巨的挑戰：他們的設計具有龐大的布局規劃，引腳數量高達5000萬，要求分析工具具有前所未有的容量，以及能夠處理如此復雜結構的布局工具。

西門子通過調動其研發團隊來增強工具容量和能力作為回應。此次合作不僅證明了處理這些復雜架構的能力，還證明了在此類大型設計上執行有意義的電氣分析的能力。最初的努力集中在基本方面，例如跨基板的直流（DC）IR壓降分析和早期PDN分析。通過這些基礎步驟，西門子展示了其工具的能力和合作承諾。這種合作伙伴關系使Chipletz成功完成了其初始演示載具的流片，并且他們現在正推進到設計的第二個修訂版本。這一成功突顯了適應性強的EDA工具和強大的供應商-客戶合作在推動3D IC創新邊界方面的重要性。

05展望未來：3D IC驅動創新

3D IC無疑將繼續存在，主要半導體公司正越來越多地將各種形式的3D封裝納入其產品路線圖。這一轉變標志著行業在如何處理系統設計和集成方面發生了根本性變化。

漸進式驗證策略，加上不同利益相關方之間的緊密合作，為應對3D IC設計固有的復雜挑戰提供了一個穩健的框架。掌握這些技術的公司和個人將處于非常有利的位置，加速下一波半導體創新，創造出高性能、高能效的系統，為我們日益數字化的世界提供動力。

西門子通過其豐富的產品組合和與Chipletz等客戶的協作伙伴關系，積極幫助客戶在成功的3D IC設計中把握趨勢，共同推動半導體產業的未來演進。