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基于ANSYS仿真的新一代3D IC半导体设计

2017/3/2        作者:Koichi Yoshimi  Hironori Kawaminami      
关键字:ANSYS  仿真  IC  
从完全定义系统之前到最终验收的整个过程中,富士通利用ANSYS仿真工具进行新一代3D IC半导体设计,实现了更高的性能和更少的设计次数。

    位列超级计算领域前沿的富士通公司在高性能系统研发方面积累了长达30年的丰富经验,该公司与领先企业携手合作,利用超级计算技术来解决日趋复杂的社会、环境和商业挑战。富士通与RIKEN共同研发出K超级计算机,其在2011年的500强最佳超级计算机中占据榜首。

    K超级计算机在2015年Graph 500强超级计算机排名中再次位列第一;这项排名用来评定超级计算机在网络安全、医疗信息、数据扩充、社交网络、符号网络以及大脑神经元回路建模等领域中处理复杂数据问题的能力。K超级计算机中的同款技术也被应用于富士通的商用超级计算机产品PRIMEHPC FX10 TM和FX100 TM中。

    富士通超级计算机包含数量巨大的计算内核——FX100扩展到了超过100,000个节点(每个节点由连接到公共存储器源的所有内核组成)。不过,为了满足不断增长的计算能力需求,富士通需要将更多处理器装入更小尺寸的外壳中,并降低功耗。以往,富士通利用最前沿的半导体工艺获得更高性能,然而,半导体工艺的扩展也即将终结。

    几种很有前景的技术有望克服这一障碍,它们是非硅材料、非冯·诺依曼架构和3-D IC结构。富士通目前正在研究将3-D IC结构作为完美备选,用于实现所需的功耗、性能和尺寸目标。3-D IC结构无需工艺扩展即可提高电路密度并最小化线路长度,从而实现更快的设计周期和更低功耗。但是,使用3-D IC结构也存在很大的挑战,包括电源完整性、冷却、信号完整性,以及最重要的成本挑战。

    3-D IC设计挑战

    过去,工程师使用系统级热分析法预测整颗芯片的均匀温度。他们不得不使用较高的安全裕量来考虑实际芯片上的热梯度,这样就限制了能够实现的性能改善幅度。另外,由于电阻(R)和电迁移(EM)限值取决于温度,而缺少热梯度信息使工程师无法准确确定芯片中单根线缆的电阻(R)和电迁移(EM)限值。因此,工程师无法准确计算出流经每条线缆的IR(电压)降和电压中的EM值。IR/EM是决定功率完整性的关键因素,所谓电源完整性就是将功率提供给芯片上每个互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的能力。此外,工程师也无法预测其他芯片结构的效果,例如硅通孔(TSV)和µBump,这些结构同样对功率、热和信号完整性有很大影响。

    现在,富士通工程师利用ANSYS RedHawk将每层划分成由芯片热模型(CTM)构成的矩形单元,从而简化芯片设计。CTM中包含与温度相关的功率以及金属层密度方面的信息。这些信息根据详细设计(如果有)得到,或者在没有详细设计的情况下可从以前的设计中获得。CTM还包含有关各层之间热传递方面的信息。在RedHawk-GPS中可定义TSV布局,用于构建早期的电源和接地网络(包括TSV布置情况)。该模型可计算每个独立芯片的功率分布网络和温度特性。

图1 典型3-D IC的3-D模型

图1 典型3-D IC的3-D模型

图2 ANSYS RedHawk-GPS中生成的P/G/TSV结构和芯片热模型

图2 ANSYS RedHawk-GPS中生成的P/G/TSV结构和芯片热模型

图3 两种不同TSV布局的IR降:(左)TSV都在右侧,(右)TSV位于四周。当TSV位于四周时,IR降显著降低

图3 两种不同TSV布局的IR降:(左)TSV都在右侧,(右)TSV位于四周。当TSV位于四周时,IR降显著降低

责任编辑:吴星星
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