現(xiàn)在堆疊芯片的方法得到了更多的關(guān)注，但支持堆疊芯片的設(shè)計(jì)流程似乎還不是很成熟。

　　先進(jìn)封裝技術(shù)被看作是摩爾定律的一種替代品，或者是一種增強(qiáng)它的方法。但是，在證明這些器件能夠以足夠的產(chǎn)量生產(chǎn)與先進(jìn)封裝對(duì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程的要求之間還存在著很大的差距。

　　并非所有的先級(jí)封裝都對(duì)工具和方法有相同的要求。2.5D封裝與單片3D集成電路的封裝要求大不相同。其他還有小晶片、各種類(lèi)型的扇出和扇入、系統(tǒng)級(jí)封裝，以及層疊封裝（PoP）和引線鍵合的方法。根據(jù)封裝類(lèi)型的不同，可能需要混合使用印刷電路板和集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工具。但無(wú)論使用哪種封裝，正規(guī)的驗(yàn)證方法必不可缺。

　　那么，我們來(lái)談?wù)勗撔袠I(yè)應(yīng)該在哪里做調(diào)整，或添加必要的工具及流程，以使該技術(shù)可用于更廣泛的行業(yè)呢？

　　市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的特征總是第一個(gè)轉(zhuǎn)向最新的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@為他們提供了保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)所需的擴(kuò)展性、能力和性能優(yōu)勢(shì)?！皩?duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，整體式規(guī)模擴(kuò)張即將結(jié)束，”西門(mén)子Mentor產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Keith Felton表示?！?納米是非常昂貴的，必須生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶圓才能覆蓋NRE費(fèi)用。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)大的芯片時(shí)，最好的方法是把設(shè)計(jì)分成更小的模塊，在那里你可以為芯片的那部分使用適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)或技術(shù)，然后把它集成到硅中介層上。你可在短時(shí)間內(nèi)得到便宜得多的東西，這樣可以更快地上市。如果你想做一個(gè)更新的產(chǎn)品，你只需更換一兩個(gè)芯片就可以得到，而不需要重新設(shè)計(jì)一個(gè)全新的SOC?！?/p>

　　雖然這其中有一些可能是對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)，但這正是推動(dòng)該行業(yè)發(fā)展的主要因素。

　　“我們現(xiàn)在有一些選擇，雖然目前成本還相當(dāng)高，但有很多優(yōu)勢(shì)，”Cadence IC封裝產(chǎn)品總監(jiān)John Park說(shuō)。“在過(guò)去的幾年里，我們已經(jīng)從一個(gè)小的印刷電路板過(guò)渡到看起來(lái)很像一個(gè)大規(guī)模的集成電路。”

　　Park列舉了行業(yè)從引線框架到球網(wǎng)格陣列（BGA），再到2.5D和3D技術(shù)的發(fā)展道路（圖1）。

　　▲  封裝技術(shù)的發(fā)展和開(kāi)發(fā)流程 (來(lái)源：Cadence)

　　使用2.5D，您可以從板上移動(dòng)存儲(chǔ)，并使用硅中介層將其集成到處理器旁邊，這可以通過(guò)縮短距離和擴(kuò)大數(shù)據(jù)管道來(lái)減少延遲?！澳褂檬裁垂ぞ邅?lái)實(shí)現(xiàn)中介層？“Park問(wèn)。“布線和布線后都使用什么工具？怎么tape out（交付制造）？它需要用一種集成電路的格式交付制造。從歷史上看，封裝是以印刷電路板格式（如Gerber或IPC2581）tape out的。

　　這將對(duì)工具產(chǎn)生很大的影響?！澳阈枰环N類(lèi)似PCB（印刷電路板）的技術(shù)來(lái)布線，因?yàn)樵诮换ナ胶褪謩?dòng)布線方面，它們比傳統(tǒng)的IC工具要先進(jìn)一些，后者往往是批處理應(yīng)用程序，”他指出?！暗乙残枰恍┘呻娐芳夹g(shù)。我需要?jiǎng)?chuàng)建光罩層和GDS，因?yàn)樗鼈儗⑹褂肐C設(shè)計(jì)工藝來(lái)制造。一旦我們進(jìn)入三維集成電路，它從設(shè)計(jì)規(guī)劃到驗(yàn)證測(cè)試確認(rèn)（signoff），包括時(shí)間分析，這是一個(gè)純粹的集成電路工藝。另外，您還需要多芯片的LVS檢查。封裝設(shè)計(jì)師從一個(gè)電路板設(shè)計(jì)師變成了一個(gè)芯片設(shè)計(jì)師。它還擴(kuò)展到生態(tài)系統(tǒng)中，每一個(gè)新的封裝變種都需要一個(gè)流程參照和相關(guān)的PDK（Process Design Kit）?！?/p>

　　這不僅僅是變換工具，風(fēng)格隨著工具的變化也在變化?！拔蚁胫涝隍?yàn)證組件的封裝設(shè)計(jì)時(shí)，有多少剛性或形式性，”Mentor的技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工程師JohnFerguson說(shuō)。“過(guò)去有一個(gè)粗略的設(shè)計(jì)規(guī)則手冊(cè)，如果你遵循它的規(guī)則，你就可以制造出來(lái)。用戶可以通過(guò)肉眼觀察來(lái)了解這一點(diǎn)，大多數(shù)人都不太關(guān)注。現(xiàn)在我們談?wù)摰氖菐资f(wàn)、或數(shù)百萬(wàn)個(gè)管腳，想通過(guò)觀察的方法來(lái)檢查它們是萬(wàn)萬(wàn)不可能的?！?/p>

　　美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）推出了一項(xiàng)名為“CHIPS”的計(jì)劃，這項(xiàng)計(jì)劃推出了一個(gè)小晶片（chipelets）的概念?！斑^(guò)去，所有IP都在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，”P(pán)ark解釋說(shuō)?！艾F(xiàn)在，您將以一種與節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)的方式將其分解并重新構(gòu)建。SERDES可以是28納米，內(nèi)存可以是32納米，視頻芯片可以是7納米，等等，我具有這種靈活性。但比這些要復(fù)雜多的是，因?yàn)樾酒俏锢砩蠈?shí)現(xiàn)的第三方IP版本。”在流程方面需要在物理和協(xié)議級(jí)別上進(jìn)行一些額外的工作。

　　抽象建模和模型

　　整個(gè)封裝需要作為一個(gè)單芯片來(lái)處理嗎？

　　“我們現(xiàn)在已經(jīng)面臨一個(gè)挑戰(zhàn)，要對(duì)1億個(gè)門(mén)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和驗(yàn)證?！盨ynopsys的三維IC布局和驗(yàn)證應(yīng)用工程師Frank Malloy說(shuō)?！艾F(xiàn)在你在上面再堆1億個(gè)門(mén)電路，如果你試圖把它當(dāng)作一個(gè)巨大的設(shè)計(jì)，你的存儲(chǔ)器使用和運(yùn)行時(shí)間將失控。我們需要用抽象建模的方式來(lái)概括某些設(shè)計(jì)，并減少對(duì)存儲(chǔ)存和運(yùn)行時(shí)間的影響。”

　　但還有一些其他關(guān)鍵信息，必須在各部分之間共享?！霸诋?dāng)今復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，IR壓降分析至關(guān)重要。”Malloy伊說(shuō)?！艾F(xiàn)在，當(dāng)一個(gè)大的芯片上有另一個(gè)芯片時(shí)，你必須計(jì)算出它的IR壓降，它必須通過(guò)下芯片將電源和接地通過(guò)封裝輸送到上芯片。上芯片的IR壓降將會(huì)受到下芯片IR壓降的影響，因此我們必須進(jìn)行多芯片IR壓降分析。”

　　在一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境下將這些部分組合在一起是具有挑戰(zhàn)性的，或者說(shuō)也是降低復(fù)雜性的一種方式。

　　“對(duì)于試圖將多個(gè)芯片集成到一個(gè)系統(tǒng)中并試圖處理此類(lèi)相互影響的任何人來(lái)說(shuō)，基于模型的接口都是一個(gè)很好的解決方案，”Ansys模擬和混合信號(hào)解決方案高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Karthik Srinivasan說(shuō)?！癐R壓降可以以提取的方式進(jìn)行，但是對(duì)于組裝系統(tǒng)并擁有一個(gè)真正的3D IC的人來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)芯片與凸塊接口，另一個(gè)芯片通過(guò)凸塊連接，他們需要知道芯片上的負(fù)載，以便進(jìn)行真正的IR壓降分析，您需要一個(gè)并行仿真處理?！?/p>

　　如今，這些抽象的概念并不標(biāo)準(zhǔn)。“今天確實(shí)存在一些必要的抽象概念，但每個(gè)供應(yīng)商都有自己的特點(diǎn)和做事方式，”Ferguson指出?！霸诖S和用戶之間，隨著時(shí)間的推移，它們將結(jié)合在一起，我們將實(shí)行相同的設(shè)計(jì)慣例?！?/p>

　　最終，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將參與其中?！坝幸恍?biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，如SI2，正試圖對(duì)其中一些抽象概念提出一個(gè)無(wú)IP的定義，”Felton解釋說(shuō)。“然而，現(xiàn)在有很多格式，它們可能不是很理想的，但從LEF/DEF文件、GDS文件、逗號(hào)分隔值電子表格、AIF文件到BGA.txt文件，無(wú)所不包。你必須在早期要仔細(xì)，不要太拘束。這可能會(huì)迫使用戶進(jìn)入特定的使用模型。我們看到客戶在處理同一問(wèn)題的方式上非常多樣化，他們使用不同形式的數(shù)據(jù)。他們想要的是一個(gè)盡可能開(kāi)放的解決方案，這樣他們就不會(huì)被迫進(jìn)入限制性的數(shù)據(jù)流程?！?/p>

　　接口

　　在小晶片（chiplets）概念成為現(xiàn)實(shí)之前，需要制定標(biāo)準(zhǔn)接口。“高帶寬內(nèi)存（HBM）是一個(gè)早期的例子，”P(pán)ark說(shuō)?！斑@有點(diǎn)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗皇且粋€(gè)針對(duì)特定應(yīng)用的內(nèi)存接口。小晶片接口必須更通用?！?/p>

　　DARPA的CHIPS項(xiàng)目正在解決這個(gè)問(wèn)題。他們選擇了先進(jìn)的接口總線（AIB）作為一個(gè)物理層接口，由英特爾開(kāi)發(fā)，用于在其嵌入式多芯片互連橋（EMIB）中進(jìn)行芯片到芯片的連接。英特爾通過(guò)DARPA計(jì)劃使AIB成為可用的、免版稅的總線標(biāo)準(zhǔn)。其他公司正在開(kāi)發(fā)運(yùn)行在此接口之上的輕量級(jí)協(xié)議。

　　但可能需要多個(gè)專(zhuān)用接口?！癏BM是一個(gè)高度并行化的接口，在這里你可以移動(dòng)大量的數(shù)據(jù)，而不需要借助高速的IOs，”Felton解釋說(shuō)。“它給你的吞吐量幾乎沒(méi)有功耗，因此減少了熱問(wèn)題。有PAM4，外面有很多協(xié)議接口支持。根據(jù)芯片類(lèi)型及其功能，小晶片將根據(jù)所需性能支持一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口?！?/p>

　　工具與流程

　　今天，封裝必須進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且可能需要進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。布線可能涉及到多個(gè)芯片。并且設(shè)計(jì)分析必須考慮到封裝中的所有東西以及更多內(nèi)容。

　　“幾年前，一個(gè)封裝工程師花90%的時(shí)間來(lái)完成這項(xiàng)工作，”P(pán)ark說(shuō)?！捌渲邪ㄖT如設(shè)計(jì)布線、創(chuàng)建電源網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行電氣特性描述等任務(wù)。如果你今天問(wèn)同一個(gè)人，他們的那部分工作還不到50%。他們?cè)缙诨ㄙM(fèi)在與芯片團(tuán)隊(duì)合作尋找路徑上。他們正試圖根據(jù)成本、性能、物理特性和功耗，找出適合該芯片的最佳封裝技術(shù)?！?/p>

　　這在多個(gè)層次上變得復(fù)雜起來(lái)。“你可以有六個(gè)小晶片，你可能有不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器，不管是堆疊的還是并排的，你可能正在尋找使用一個(gè)中介層或嵌入式連接器橋，”Felton補(bǔ)充說(shuō)?！澳幚矶鄬拥幕寮桑⑴?、堆疊、嵌入，您需要一個(gè)環(huán)境，在該環(huán)境中，您可以快速評(píng)估這些不同的場(chǎng)景，以了解它們?yōu)槟峁┑目傮w目標(biāo)?！?/p>

　　但是，設(shè)計(jì)流程是主要影響的地方?！拔覀円呀?jīng)修改了鏈中的每個(gè)工具，從實(shí)現(xiàn)到驗(yàn)證，其中包括物理設(shè)計(jì)、靜態(tài)定時(shí)分析、寄生提取、DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查）和LVS，”Malloy說(shuō)?！斑@些工具中的每一個(gè)都經(jīng)過(guò)了升級(jí)以支持3D設(shè)計(jì)。今天大多數(shù)設(shè)計(jì)都是單獨(dú)完成的，但是在流程的某個(gè)階段，您將它們組合在一起。然后我們需要檢查這兩個(gè)芯片并查看它們之間的優(yōu)化情況。我們應(yīng)該把凸點(diǎn)移到哪里，以便在兩個(gè)芯片中獲得最短的導(dǎo)線長(zhǎng)度？我們應(yīng)該在哪里移動(dòng)凸點(diǎn)或門(mén)電路，以便通過(guò)它們獲得最快的時(shí)序？我們最近升級(jí)了提取和分析功能，以便能夠同時(shí)檢查兩個(gè)芯片，并查看可能在兩個(gè)芯片之間的導(dǎo)線上發(fā)生的電容耦合現(xiàn)象。現(xiàn)在，這些具有“混合鍵合”的芯片非常緊密，因此兩個(gè)芯片最上面的金屬層可以相互作用，并且在兩個(gè)完全不同的設(shè)計(jì)之間具有電容耦合作用?！?/p>

　　還有很多工作要做?！澳悴辉僦挥卸S空間，你現(xiàn)在有了三維空間，”P(pán)ark說(shuō)。“理論上，你可以有20多個(gè)金屬布線層，因?yàn)槟阌袃蓚€(gè)芯片面對(duì)面。如果我在同一個(gè)芯片上相鄰放置兩個(gè)模塊，但由于其他限制它們相距太遠(yuǎn)，我可以將一個(gè)模塊移到上面的芯片上。它的物理性能如何，熱性能如何，電性能如何？布線成為一個(gè)三維問(wèn)題。如果底層芯片上的布線資源用完，即使您試圖連接底層芯片上的兩個(gè)器件，也有可能通過(guò)最上層芯片通孔，然后再通過(guò)朝下的通孔找到布線資源。在兩個(gè)三維堆疊的芯片之間做時(shí)序收斂也是必要的?！?/p>

　　結(jié)論

　　現(xiàn)在為先級(jí)封裝設(shè)計(jì)更換工具的工作才剛剛開(kāi)始。雖然EDA公司不能停止投資于跟蹤最新的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，他們也必須大量投資于新封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)流程。與只影響后端工具的最新節(jié)點(diǎn)的更新不同，封裝設(shè)計(jì)將影響流程中的所有內(nèi)容，并為全新的設(shè)計(jì)工具添加一些具體的需求。

　　他們需要多長(zhǎng)時(shí)間才能把這些工作做好？“過(guò)去，公司一直在收集數(shù)據(jù)，但近期內(nèi)并沒(méi)有真正計(jì)劃做任何事情，”Ferguson說(shuō)?！敖裉?，雖然它還在試驗(yàn)中，但它不再只是踢踢輪胎。他們已經(jīng)決定買(mǎi)一輛新車(chē)，并正努力決定到底該買(mǎi)哪輛車(chē)開(kāi)回家?！?/p>