Пятница, 21.09.2018, 21:14
Главная
· RSS
Меню сайта
Наш опрос
Применяете ли Вы информационные технологии в своей профессиональной деятельности?
Всего ответов: 315
Статистика
 Работа секций
Главная » Статьи » 2014 » Разработка и применение информационных технологий в образовательном процессе: проблемы и перспективы

РАСТУЩИЙ ИНТЕРЕС К 3D-ИНТЕГРАЦИИ ИС И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ САПР ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Аракелян В.А.,
Московский институт электронной техники
г. Зеленоград, Россия

РАСТУЩИЙ ИНТЕРЕС К 3D-ИНТЕГРАЦИИ ИС И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ САПР ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

На сегодняшний день один из путей для обеспечения более высокого уровня функциональности при минимальных размерах и максимальном быстродействии остается путь развития конструкции ИС - 3D-интеграция.

Увеличение плотности трехмерных ИС (3D ИС), которое становится возможным благодаря вертикальному размещению элементов, будет способствовать многократному сокращению затрат на производство ИС по сравнению с традиционными 2D ИС при той же технологии производства.

3D ИС могут масштабироваться с той же скоростью, какую предусматривает закон Мура, тем самым потребители получают возможность со временем использовать все преимущества трехмерной технологии.

Одна  из выгод от использования трехмерных ИС по субмикронным технологиям уменьшение общей длины межсоединений на кристалле, что положительно сказывается на задержках распространения сигналов. При переходе на новые технологические поколения задержки сигналов в межсоединениях 2D БИС неуклонно увеличиваются, а задержки в вентилях (логических элементах) уменьшаются. Задержки в вентилях для субмикронных БИС лежат в диапазоне единиц пикосекунд.

Первые 3D ИС собирались по структуре PoP (Package on Package, корпус на корпусе, или укладка в трехразмерную сборку корпусированных ИС с использованием межсоединений и коммутационных слоев, размещенных на самих корпусах). Позднее операция монтажа кристаллов друг на друга с последующей упаковкой в единый корпус (stacked die, 3D-SIC, 3D stacked IC, штабелированные/стекированные трехмерные ИС) и последующего межсоединения методом разварки проволочных выводов получила более широкое распространение [1].

МСМ ИС (многокристальные модули на гибком полиимидном основании, МКМ 3D) появились в 1980 г. и характеризовались длинными межсоединениями между кристаллами, такими как цифровая логика и память. Наибольшая длина межсоединений достигала 10 мм. Использование стековых структур позволило уменьшить длину межсоединений до 70 мкм.

Самой перспективной являетсяTSV-технология. В настоящее время использование технологии TSV (through silicon vias, сквозные кремниевые межсоединения или переходные отверстия в кремнии) позволило убрать операцию разварки из технологической цепочки, что обеспечило максимально возможный на сегодня уровень интеграции ИС. TSV-технология включает следующие процессы формирования соединений _ осаждение, заполнение, удаление металла с поверхности, утонениепластин, стекирование, инспектирование, тестирование.

 Ключевые слова: 3D ИС, сквозные отверстия сквозь кремний (TSV), температурное распределение, механический стресс.

 Введение

При физическом проектировании модулей особую важность приобретает обеспечение быстродействия ИС.  Это обусловлено тем,  что быстродействие  современных цифровых ИС во многом зависит от временных задержек сигнала в межсоединениях.  Задержки в межсоединениях определяются RC параметрами линий связи, которыев свою очередь,  при определенной технологии  в основном  зависят от их длин.

Разделяются две характерные группы длин межсоединений: локальные и глобальные.  Локальные межсоединения обусловлены связями внутри логических ячеек,  длина которых соизмерима с топологическими размерами ячеек и составляет при технологии 90 нм порядка 5 мкм. Глобальные же    межсоединения обусловлены связями между логическими ячейками в пределах общей топологической площади проекта,  длина которых соизмерима с топологическими размерами полупроводникового кристалла и составляет порядка мкм.  Если принять,  что среднее количество внешних контактов стандартных ячеек и количество выводов транзисторов примерно одинаковo, а соотношение их количеств в ИС составляет порядка 1:10,  то соотношение суммарных длин локальных и глобальных межсоединений составит порядка 5:10^3. Таким образом, основная доля задержек сигналов в межсоединениях приходится на глобальные межсоединения. Задержки в вентилях для субмикронных БИС лежат в диапазоне единиц пикосекунд [2].

Для уменьшения емкости и сопративления межсоединения, были исследованы новые материалы и инновационные межсоединения.

Например, очень широкую распространенность получилo применение Cu для межсоединенией, обусловленное его сравнительно малым сопротивлением, но рассеивание электронов, вызывающих рост сопротивления Cu ограничивало возможности применения.

Используются также повторители и негабаритные драйверы, но они сами являются потребителями энергии.

Оптические межсоединения снижают рассеивание мощности для длинных межсоединений и обеспечивают более предсказуемые времена задержек, но интеграция разных технологий очень сложна.

Это статистика еще раз подчеркивает важность применения 3D интеграции, потому что одно из основных целей  3D технологии это сокращение глобальных межсоединений [3].

 Основные требования к программным средствам по 3D проектированию

Еще в начале 2010 года единственным коммерческим программным средством, у которого были возможности 3D проектирования на основе TSV был MAX-3D Layout Editor компании Micro Magic. Оно поддерживало только редактирование топологии 3D ИС и не предлагало возможности автоматического проектирования, размещение и трассировку. Никакое коммерческое программное средство, обозначенное для временного анализа, мощности, шумов питания или технологичности не обрабатывал TSV информацию.

Наиболее перспективным преимуществом 3D интеграции на основе TSV это общая длина соединений, которая укорачивается благодаря вертикальным TSV соединениям. Однако сами размеры TSV являются основным препятсвием при их многократном использовании. По данным ITRS 2009 года, размеры TSV будут в диапазоне 1мкм до 5мкм до 2015 года. Однако размеры схемы с четырьмя транзисторами в тоже время будут уменшены с 0.82мкм² до 0.2мкм² [4]. Это означает, что соотношение площадей TSV и логических вентилей будет рости от 2.74=(2.25/0.82) до 5=(1/0.2). Соотношение становится еще большим, если иметь ввиду дополнительные зоны, которые небходимы для избежания проблем стесса и литографии. Поскольку длина общей шины является ключевым фактором при проектировании, то при проектировании следует учитывать все особенности TSV. А также требуется исследование  RC параметров больших TSV, для оценки их влияния на потребление мощности и другие характеристики.

Распределение TSV. Количество и местоположение

TSV (throughsiliconvia, сквознoe кремниевое межсоединение или переходное отверстие в кремнии) это вертикальное межсоединение, которое полностью проходит сквозь кремневую подложку.

Распределение TSV - это сердце 3D проектирования. Количество и местоположение TSV особым образом влияет на качество и надежность 3D технологии. Недавние исследования [4] показывают, что общая длина межсоединений уменьшается столько, сколько использованы TSV, но до какой-то степени конечно [5]. Однако в основном по причине больших размеров  TSV длина межсоединений начинается рости от какой-то оптимальной точки, как показано на рисунке 1.


Рис.1 Площадь кристалла и длина межсоединений при использовании TSV

 Количество TSV, которые были использованы в 3D технологии полностью зависит от того, как дизайн был поделен на части. Для оптимального распределения проекта, требуется исследование каждого частного случая. А также требуется исследование для оценки влияния распределения TSV на качество и надежность 3D проекта [5]. Возможным решением этой проблемы может явится оптимальный выбор между регулярным и нерегулярным размещением TSV [6] Рис. 2.


Рис. 2 регулярное и не регулярное размещение

 Немаловажным фактором является оценивание влияния размеров TSV на потребляемую мощность, надежность и производительность при физическом проектировании.

 Температурное распределение в 3D ИС

Одной из причин, которая делает 3D ИС всеобще неприменимым, это проблема теплоотвода. В прoектах, где мощность составляет примерно 100 В/см², появляются температурные пики, что и влияет на общую температуру подложки. Как показано на рисунке 3а, для этого часто рядом с пиковыми точками поставляются дополнительные межсоединения TSV из меди,Теплопроводность меди, кремня и SiO2, при температуре 25°С соответсвенно составляют 390, 150 и 1.4 В/(м . К).

Но размещение  таких сквозных соединений приводит к другим проблемам, связанные с их влиянием на общую площадь и производительность 3D ИС. Предложены и другие механизмы охлаждения, это применение carbonnaotub [7] и жидкостное охлаждение [8] micro-scalefluidicchannelsMFS, как показано на рис. 3.


Рис. 3 Охлаждение с термическими TSV и MFS

Опять для оценки преимуществ и недостатков этих механизмов нужно исследование. Возможным решением  может быть постановка TSV уже на этапе пазмещения и такая планировка соединений, где места MFS учитываются заранее.

 Потребление мощности в 3D ИС

Еще одним главнейшей проблемой при 3D проектировании является обеспечение потребляемой мощности.

Внешние шины питания соеденяются при помощи нескольких вертикальных TSV питания, как это показано на Рис. 4


Рис. 4 Шины питания в 3D ИС

 Количество TSV питания ограничено в связи с проблемами при размещении и трассировки, к тому же, трассировка «сигнал» соединений (signal routing) должно делаться очень тщательно, чтобы предотвратить появление емкостей между ними и TSV питания.

 Проблемы производительности, стрессы

Поскольку TSV очень большие по сравнению с другими топологическими объектами, то они приводят к неравномерному распределению aktiv, poly М1 слоев, как это показано на Рис. 5.


Рис. 5: Распределение active, poly и М1

 Выше представленные неоднородности усложняют процесс химическо-механического планаризации (Chemical Mechanical Planarization) и требуют новые подходы, учитывая TSV. Существует большая разница между коэффициентом тепловой экспансии меди (Cu=17.7 ppm/°C) и кремня (Si=3,05 ppm/°C), что и является причиной для стресса во время производства и функцонирования [6]. Это в свою очередь влияет на временные характеристики и, следовательно, на устойчивость схемы. Итак, стерссы и температурные потоки могут физически повредить подложку и устройство. Возможным решением могут быть TSV ориентированный "CMP fill”, распределение TSV учитывая временной анализ и физическое проектирование.

 Заключение

Трехмерный метод производства имеет два очевидных преимущества.

Во-первых, это существенное снижение цен при фиксированном числе транзисторов на кристалле и во-вторых, увеличение числа транзисторов со скоростью, не меньшей, чем предусматривает закон Мура в расчете на количество устройств, приходящихся на единицу площади.

Максимально возможный на сегодня уровень интеграции ИС обеспечивает использование технологии TSV, которая позволяет убрать операцию разварки из технологической цепочки, обеспечивает более высокую плотность монтажа, бoльшую функциональность, лучшие технические характеристики (минимальная длина соединений; межсоединения не ограничивают скорость распространения сигнала), более низкое энергопотребление, меньшую стоимость. Однако использование этой технологии требует решить ряд проблем таких, как снижение токовутечек и снижение рассеиваемой мощности.

TSV-технология позволяет значительно увеличить количество линий ввода/вывода, что радикальным образом приводит к повышению скорости трансляции данных, и уменьшить энергопотребление, а также вызвать появление принципиально новых видов высокоэффективных устройств. Для проектирования 3D БИС с TSV необходимо использовать новые инструменты САПР для нанометровых проектов.

 

Категория: Разработка и применение информационных технологий в образовательном процессе: проблемы и перспективы | Добавил: grebnevaDM (10.02.2014)
Просмотров: 1293
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Copyright E. I. © 2018
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Научное Агентство ВАКИЗДАТ
  • журнал "Школа будущего"
  • Бесплатный хостинг uCoz