李同瀚　張玲

摘 要：3D芯片通過(guò)垂直集成提高了芯片的集成度，成為當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的技術(shù)之一，被認(rèn)為是一種延續(xù)摩爾定律增長(zhǎng)趨勢(shì)的新方法。硅通孔（TSV）設(shè)計(jì)是3D芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，其可靠性是影響3D芯片良率的主要因素。針對(duì)3D芯片的TSV結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為多個(gè)垂直堆疊裸晶設(shè)計(jì)密度為導(dǎo)向的TSV布局結(jié)構(gòu)，為后續(xù)TSV容錯(cuò)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：硅通孔；3D集成電路；布局

中圖分類號(hào)：TU984.12

硅通孔（Through-Silicon-Via）技術(shù)將多個(gè)晶圓疊在一起，形成3D集成電路。所以對(duì)于3D集成電路來(lái)說(shuō)，由于TSV相對(duì)電路單元來(lái)說(shuō)具有較大的尺寸，所以這些TSV占據(jù)著不可忽略的面積[1]。其次，3D芯片將多個(gè)晶圓疊在一起，其散熱性無(wú)疑變差，過(guò)熱的溫度會(huì)加快芯片老化，甚至導(dǎo)致芯片失效，具有熱導(dǎo)率銅填充的硅通孔是3D集成電路導(dǎo)熱的主要通道[2-3]。再者，TSV的布局設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能也有著不可忽略的影響，TSV的布局可以簡(jiǎn)單以陣列形式均勻分布，可以以總布線長(zhǎng)度最短為準(zhǔn)則，也可以以TSV密度導(dǎo)向?yàn)闇?zhǔn)則[4]。因此，這些TSV及其互聯(lián)邏輯對(duì)芯片面積、功耗、性能及布局都有著非常大的影響[1]。好的TSV設(shè)計(jì)及管理方法可以減少布線之間的競(jìng)爭(zhēng)，減少代價(jià)及提高性能，而TSV過(guò)多的布局不僅增加TSV的面積，而且抵消了3D芯片本該有的優(yōu)點(diǎn)。

為了獲得較優(yōu)化的TSV設(shè)計(jì)布局，為后續(xù)TSV容錯(cuò)設(shè)計(jì)提供較好方法，本文對(duì)3D集成電路TSV布局進(jìn)行優(yōu)化，考慮TSV可靠性，對(duì)修復(fù)TSV和信號(hào)TSV進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，該過(guò)程經(jīng)歷兩個(gè)階段，第一階段先以線長(zhǎng)最短為原則設(shè)計(jì)信號(hào)TSV，第二階段進(jìn)行修復(fù)TSV的設(shè)計(jì)，以對(duì)信號(hào)TSV進(jìn)行容錯(cuò)，較多的TSV可以獲得較好的散熱效果，卻占據(jù)著較大的面積，本修復(fù)TSV的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮面積和溫度限制，并獲得盡可能大修復(fù)率。

1 以密度為導(dǎo)向的布局設(shè)計(jì)

相對(duì)于2D集成電路，3D集成電路中的TSV橫穿多個(gè)堆疊的晶圓，所以可以減少布線長(zhǎng)度，但另一個(gè)方面也帶來(lái)了兩個(gè)負(fù)面影響，第一個(gè)是TSV相對(duì)于普通電路單元占據(jù)較大的芯片面積，所以實(shí)際上電路單元之間的距離并不像理論預(yù)期那樣縮短很多[5]；第二個(gè)是TSV設(shè)計(jì)的目的是進(jìn)行電路基本單元的互連，所以它會(huì)加劇布線之間的競(jìng)爭(zhēng)。為了減少TSV帶來(lái)的負(fù)面影響，本布局設(shè)計(jì)統(tǒng)一設(shè)計(jì)信號(hào)TSV和修復(fù)TSV，獲得較好的TSV容錯(cuò)率和較短的線長(zhǎng)。

本文布局設(shè)計(jì)中，第一階段的以線長(zhǎng)最短為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)首先對(duì)電路進(jìn)行劃分，以進(jìn)行3D堆疊層的分配。本過(guò)程將2D電路網(wǎng)表中的邏輯單元（cell）進(jìn)行分割，并分配到3D芯片的各個(gè)堆疊層，在分割過(guò)程中根據(jù)TSV的數(shù)目對(duì)分割大小進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)過(guò)程結(jié)束后3D芯片的網(wǎng)表文件被輸出，其中包括分配到一個(gè)晶圓的2D電路的邏輯單元和分配多個(gè)晶圓上的2D電路的邏輯單元，對(duì)于分配到多個(gè)晶圓上的邏輯單元，可以采用一個(gè)或多個(gè)TSV互聯(lián)，本文采用一個(gè)TSV實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)TSV互聯(lián)，并獲得最短線長(zhǎng)，電路劃分后，進(jìn)行的是TSV的插入，并在插入之后利用3D布局方法統(tǒng)一對(duì)TSV和電路邏輯單元進(jìn)行布局。本文利用文獻(xiàn)[1]的布局方法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一布局。由此階段獲得的布局結(jié)果中，信號(hào)TSV布局密度分配不均，這是因?yàn)橐跃€長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則的布局方法會(huì)根據(jù)線長(zhǎng)要求調(diào)整信號(hào)TSV，導(dǎo)致信號(hào)TSV布局不均勻，圖1中給出此布局結(jié)果的一個(gè)例子。

為了獲得較好的散熱效果和TSV的修復(fù)率，并使得TSV密度分配較均勻，本布局的第二階段是設(shè)計(jì)修復(fù)TSV，修復(fù)TSV的個(gè)數(shù)由最大信號(hào)TSV密度決定，若用多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)TSV和修復(fù)TSV的任意互聯(lián)，則其最大修復(fù)率可以達(dá)到。圖2給出插入修復(fù)TSV之后的布局結(jié)果，可以看出，此信號(hào)TSV和修復(fù)TSV統(tǒng)一設(shè)計(jì)的結(jié)果是十分理想的，不僅獲得了較大的修復(fù)率，而且具有較好的散熱效果，而且滿足了3D芯片的面積要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

硅通孔技術(shù)是3D集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，硅通孔的布局對(duì)系統(tǒng)的散熱效果、線長(zhǎng)和性能都有著較大的影響。本設(shè)計(jì)對(duì)2D集成電路進(jìn)行電路劃分，將2D集成電路分配成多個(gè)不同的電路邏輯單元，用一個(gè)硅通孔連接橫跨多個(gè)晶圓的邏輯單元，對(duì)于這些硅通孔，以線長(zhǎng)最短為準(zhǔn)則進(jìn)行布局，獲得分布不均勻的信號(hào)TSV布局。為了獲得較好的散熱效果和最大修復(fù)率，對(duì)分布不均勻的信號(hào)TSV布局，進(jìn)行修復(fù)TSV的插入，獲得較好的具有統(tǒng)一TSV密度的3D集成電路布局，為后續(xù)TSV容錯(cuò)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]D.H.Kim， K.Athikulwonge， S.K.Lim， A Study of Through-Silicon-Via Impact on the 3D Stacked IC Layout. 2009 IEEE/ACM International Conference onComputer-Aided Design of Technical Papers， 2009： 674-680.

[2]Jain A，Jones R E，Chatterjee R，et a1.Analytical and numerical modeling of the thermal performance of three.Dimensional integrated circuits[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies.2010（01）：56-63.

[3]F.Wang，Z.Zhu，Y.Yang， A Thermal Model for Top Layer of Three-dimensional Integrated Circuits with Through Silicon Via，Chinese Journal of Computation Physics.2012（04）：580-584.

[4]D.H.Kim，R.O.Topaloglu and S.K.Lim， TSV Density-driven Global Placement for 3D Stacked ICs， ISOCC，2011：135-138.

[5]D. H. Kim， S. Mukhopadhyay， and S. K. Lim. Through-Silicon-Via Aware Interconnect Prediction and Optimization for 3D Stacked ICs. In Proc. ACM/IEEE Int. Workshop on System Level Interconnect Prediction，2009.

作者簡(jiǎn)介：李同瀚（1989-），男，湖北黃石人，本科在讀；通信作者：張玲（1980-），安徽淮北人，講師，博士，研究方向：低成本測(cè)試。

作者單位：湖北理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北黃石 435003

基金項(xiàng)目：湖北理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：13cx25），湖北理工學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：13xjz05c）。