臺(tái)積電（TSMC）通過(guò)3DBlox框架最大化3DIC設(shè)計(jì)生產(chǎn)力

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
, q' f: S% P6 z9 Y, x半導(dǎo)體行業(yè)不斷推動(dòng)芯片性能、能效和密度的邊界。進(jìn)入2024年，3D集成電路（3DIC）已成為這一不懈追求中的下一個(gè)前沿。臺(tái)灣積體電路制造公司（TSMC）通過(guò)其創(chuàng)新的3DBlox框架，在簡(jiǎn)化3DIC設(shè)計(jì)過(guò)程方面取得了顯著進(jìn)展。
; H# U7 v6 {, w( u  r
本文將探討TSMC開(kāi)發(fā)3DBlox的歷程，從其起源到2024年的最新創(chuàng)新。研究3DIC設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，以及TSMC的解決方案如何為更高效和可擴(kuò)展的3D集成提供支持[1]。
3 S4 w; B. T- m' T4 M+ y
6 _& |) `) ~: I- [! k% z3DBlox的誕生
2022年，TSMC開(kāi)始探索如何表示其3DFabric產(chǎn)品，特別關(guān)注兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：晶圓上晶片上基板（CoWoS）和集成扇出（INFO）。CoWoS使用硅中介層集成芯片，而INFO使用重分布層（RDL）中介層。TSMC的創(chuàng)新導(dǎo)致了混合方法的產(chǎn)生，如CoWoS-R（用RDL技術(shù)替代硅中介層）和CoWoS-L（集成局部硅互連）。
6 j* B0 h* z& D, j& O
7 @4 B9 x7 L8 c! Y* A: H4 r$ }' ?隨著這些產(chǎn)品的復(fù)雜性增加，TSMC認(rèn)識(shí)到需要一種系統(tǒng)的表示方法。這一認(rèn)識(shí)催生了3DBlox，一種旨在高效建模各種3DIC配置的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言。該框架專注于三個(gè)關(guān)鍵元素：Chiplet、Chiplet接口和接口之間的連接。

/ W0 }" h/ w; o9 }+ @3DBlox的演進(jìn)：2023年發(fā)展
5 }; s  \# M. m到2023年，TSMC已經(jīng)改進(jìn)了重點(diǎn)，解決3DIC設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵方面：Chiplet重用和設(shè)計(jì)可行性。公司引入了一種自上而下的方法進(jìn)行早期設(shè)計(jì)探索，使TSMC及其客戶能夠在所有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)確定之前進(jìn)行初步的電氣和熱分析。

7 }9 R5 x" }+ ?# ]$ V一項(xiàng)重大進(jìn)展是開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，允許Chiplet被鏡像、旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，同時(shí)保持Chiplet信息的主列表。這一創(chuàng)新導(dǎo)致了跨多個(gè)Chiplet的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查方法的簡(jiǎn)化，大大提高了設(shè)計(jì)過(guò)程的效率。
0 E' e, L* {- O" F/ I2 D4 H
克服復(fù)雜性：2024年創(chuàng)新
隨著3DIC系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，TSMC在2024年面臨新的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵創(chuàng)新是在處理3D設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)方面的范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)將這些復(fù)雜的3D問(wèn)題分解為更易管理的2D問(wèn)題，TSMC能夠利用已建立的2D設(shè)計(jì)解決方案，簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程。
9 l# Z( I& c& ?6 P) L
公司在3D布局規(guī)劃階段專注于三個(gè)關(guān)鍵元素：總線、硅通孔（TSV）和電源/地（PG）結(jié)構(gòu)。一旦定位，這些元素被轉(zhuǎn)換為二維問(wèn)題，允許設(shè)計(jì)師應(yīng)用熟悉的2D設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)解決3D挑戰(zhàn)。

- Q' ~* R" J- O# `% f2024年關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展
TSMC在2024年最大化3DIC設(shè)計(jì)生產(chǎn)力的努力集中在五個(gè)主要領(lǐng)域：
, v: u3 i$ q! X/ A6 N- l$ o
+ m. q' E- b+ X7 v! U2 `
9 V% o) b! G7 K: q5 v1. 設(shè)計(jì)規(guī)劃
在3DIC系統(tǒng)中，總線、TSV和PG結(jié)構(gòu)的放置需要仔細(xì)考慮電氣和物理約束，特別是電遷移和IR（EMIR）約束。TSMC開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新解決方案來(lái)管理這些復(fù)雜性：
# i; u) z* e) M

將單個(gè)TSV實(shí)體轉(zhuǎn)換為密度值進(jìn)行數(shù)值建模

利用人工智能驅(qū)動(dòng)的引擎（如Cadence Cerebrus智能芯片探索器和Synopsys DSO.ai）探索解決方案空間

通過(guò)與關(guān)鍵客戶合作強(qiáng)調(diào)芯片-封裝共同設(shè)計(jì)
& o4 t# q( g. e5 I( M
/ \: b# [. F  s2. 實(shí)現(xiàn)
& z; Z5 }9 Q1 c+ C5 G6 V* w4 M隨著客戶推動(dòng)增加Chiplet重用，TSMC增強(qiáng)了3DBlox語(yǔ)言以支持不斷增長(zhǎng)的3DIC設(shè)計(jì)：

在3DBlox中開(kāi)發(fā)分層解決方案

識(shí)別四種主要類型的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記

在布局布線流程中自動(dòng)插入標(biāo)記

8 e  d) M' f9 T% k$ [5 z3. 分析
多物理場(chǎng)相互作用，特別是熱問(wèn)題，在3DIC設(shè)計(jì)中變得更加突出。TSMC通過(guò)以下方式解決這些挑戰(zhàn)：

開(kāi)發(fā)一個(gè)通用數(shù)據(jù)庫(kù)，允許不同引擎根據(jù)預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交互和收斂

引入翹曲分析工具，這對(duì)較大的3DIC Fabric至關(guān)重要

創(chuàng)建Mech Tech文件以促進(jìn)應(yīng)力模擬

* w6 }' }7 Y$ |  |6 e; n8 J4 r
2 R- S% A# e5 U" b
5 U; T; N; S$ J9 D
4 f/ d1 c3 f: h2 Q% h9 E4. 物理驗(yàn)證
0 q9 p" Y! B+ u4 X" W3 S: k) ?/ ATSMC解決了3DIC設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵驗(yàn)證挑戰(zhàn)：
; K: y5 a; i' c

通過(guò)與EDA合作伙伴合作解決天線效應(yīng)

增強(qiáng)復(fù)雜多芯片配置的布局與原理圖（LVS）驗(yàn)證

在3DBlox中開(kāi)發(fā)自動(dòng)生成工具，以準(zhǔn)確驗(yàn)證任何配置
$ i' `" O! v: [
3 l& `% O% P+ l. B; B) c8 \5. 基板布線
, ^6 z6 \) ^7 K% k隨著3DIC集成規(guī)模的擴(kuò)大，基板布線的復(fù)雜性也隨之增加。TSMC在這一領(lǐng)域的創(chuàng)新包括：

改進(jìn)中介層基板Tech文件格式以建模高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

將tear drops等詳細(xì)元素納入模型

通過(guò)3DFabric聯(lián)盟與OSAT合作伙伴合作支持新格式
, S  l2 w( V' u) I) S
3DBlox對(duì)3DIC設(shè)計(jì)的影響
; M3 {6 h% A" O9 h+ }TSMC的3DBlox框架徹底改變了3DIC設(shè)計(jì)過(guò)程，提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

標(biāo)準(zhǔn)化：通過(guò)提供表示3DIC配置的通用語(yǔ)言和格式，3DBlox簡(jiǎn)化了不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和工具之間的溝通。

早期設(shè)計(jì)探索：自上而下的方法使設(shè)計(jì)師能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段進(jìn)行關(guān)鍵分析，減少后期昂貴的迭代。

高效Chiplet重用：鏡像、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)Chiplet的能力，同時(shí)保持一致的信息，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)組件的可重用性。

簡(jiǎn)化復(fù)雜性管理：通過(guò)將3D問(wèn)題分解為2D解決方案，3DBlox使設(shè)計(jì)師更容易處理3DIC系統(tǒng)的固有復(fù)雜性。

增強(qiáng)多物理場(chǎng)分析：不同分析引擎的通用數(shù)據(jù)庫(kù)允許更準(zhǔn)確地建模3DIC設(shè)計(jì)中的復(fù)雜相互作用。

改進(jìn)驗(yàn)證：DRC和LVS驗(yàn)證的進(jìn)步確保了日益復(fù)雜的3DIC設(shè)計(jì)的完整性和可制造性。

可擴(kuò)展性：隨著3DIC設(shè)計(jì)在規(guī)模和復(fù)雜性上的增長(zhǎng)，3DBlox提供了一個(gè)可以適應(yīng)新挑戰(zhàn)和要求的靈活框架。
& T/ Z( I* _+ r2 c% C[/ol]
未來(lái)展望
1 R1 ^; ~4 J+ M- I$ z2 q4 U( d; r  ]隨著半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)推動(dòng)集成和性能的邊界，3DBlox在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)3DIC設(shè)計(jì)方面的作用將會(huì)增長(zhǎng)。TSMC計(jì)劃通過(guò)IEEE公開(kāi)3DBlox標(biāo)準(zhǔn)，這一承諾表明了公司的創(chuàng)新精神，促進(jìn)了行業(yè)內(nèi)更廣泛的采用和協(xié)作開(kāi)發(fā)。

3DIC設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)未結(jié)束，但有了像3DBlox這樣的框架，業(yè)界已經(jīng)做好了應(yīng)對(duì)未來(lái)芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜性的準(zhǔn)備。展望未來(lái)，可以期待3DBlox的進(jìn)一步改進(jìn)和增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的3DIC配置，推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的極限。
5 z: K; j, B/ l. U( D' f$ W
: O; t5 ^7 ^$ P結(jié)論
TSMC的3DBlox框架代表了3DIC設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步。通過(guò)解決設(shè)計(jì)規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)、分析、驗(yàn)證和基板布線的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，3DBlox為更高效和可擴(kuò)展的3DIC解決方案提供了支持。隨著行業(yè)朝著越來(lái)越復(fù)雜和高性能的芯片設(shè)計(jì)發(fā)展，3DBlox這樣的工具將在將創(chuàng)新概念轉(zhuǎn)化為可制造的現(xiàn)實(shí)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。3DBlox從2022年到2024年的發(fā)展展示了半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)新的快速步伐，為未來(lái)幾年的令人興奮的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
8 l6 I- b! D: d! T( G
參考文獻(xiàn)
- h; a0 @4 w( X* t. [# m& }[1] K. Rajendiran, "Maximizing 3DIC Design Productivity with 3DBlox: A Look at TSMC's Progress and Innovations in 2024," SemiWiki, Oct. 08, 2024. [Online].Available:https://semiwiki.com/ip/349657-maximizing-3dic-design-productivity-with-3dblox-a-look-at-tsmcs-progress-and-innovations-in-2024/
0 F8 `$ Z! I- u; n
& Z- ^5 Y6 k+ d; v- Y- END -
% u! \6 M: r$ O- Z
$ K) c# z8 e$ y軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
0 k9 k5 r$ ?& l. o  B點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

5 O( R; P2 i. z+ p- j4 m" O, g歡迎轉(zhuǎn)載

2 \: e' }4 M. }) o& J9 f+ ~轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！


5 X- u5 g# ^7 `" d$ n8 T. [

7 i4 r, P# w1 F; N8 G1 f% U& `8 W
3 ^) a( J; w- s* n7 k關(guān)注我們
( a1 o$ q* [8 c. d; P3 S
: x5 n3 g* t  ]0 V

3 u* b3 g  l5 m2 M& R+ H

* v( t4 \8 |( C' j

                     


. @/ K7 u6 m( q  @$ r
關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

http://www.latitudeda.com/
% q1 q+ }% `/ _* m: g8 \/ }2 l% h（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）