減少IC之間互連的長度可能會(huì)給移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的性能、功率和封裝尺寸帶來一種巨大的飛躍，主要?jiǎng)恿褪?D IC。將一只移動(dòng)處理器芯片與獨(dú)立的存儲(chǔ)芯片結(jié)合到一起，這是一種自然發(fā)展出來的3D結(jié)構(gòu)。例如，三星電子公司推出了一款3D IC，該公司將一只存儲(chǔ)芯片堆疊在硅片芯上，兩者間采用了（垂直的）TSV（硅通孔）金屬化孔，在芯片的頂部和底部都建立了連接（圖1）。TSV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一種廣泛的I/O存儲(chǔ)接口，較其它方案的功率降低多達(dá)75%，因?yàn)槠浠ミB與I/O電路的負(fù)載電容較小。

Tezzaron半導(dǎo)體公司專業(yè)從事存儲(chǔ)器產(chǎn)品、3D晶圓工藝以及TSV工藝，它采用一種晶圓打線技術(shù)，在三個(gè)層面上堆疊芯片，該技術(shù)采用類似于US Mint的銅超級(jí)觸點(diǎn)，用銅鎳合金工藝制作波片。Tezzaron的Super-8051帶堆疊存儲(chǔ)的微控制器比普通8051微控制器的耗電低90%，因?yàn)樗鼪]有片外I/O。不過，制造商不能在打線以前做晶圓探測，因?yàn)樘綔y會(huì)造成缺陷。

為了緩解3D堆疊IC的挑戰(zhàn)，很多公司都在采用一種中間方式，即2.5D，用一種無源的硅中介層來連接各個(gè)片芯（圖2）。包括Mentor Graphics公司首席執(zhí)行官Walden Rhinies在內(nèi)的很多業(yè)內(nèi)人士都將2.5D方案看成是到達(dá)3D IC的一個(gè)緩慢上升的遷移路徑。Rhines相信，2.5D方案的時(shí)間要比很多人的預(yù)期更長久，因?yàn)檫@種方案更多是演化，而不是革命。

Xilinx公司也在自己新的2.5D SSI（堆疊硅互連）FPGA中采用了這種方法，包括Virtex-7 XC7V2000T，它集成了四個(gè)FPGA片芯，相當(dāng)于200萬個(gè)邏輯門、46512 kbit的塊狀RAM、2160個(gè)DSP片，以及36個(gè)10.3125 Gbps的Xilinx GTX（千兆位收發(fā)器擴(kuò)展）收發(fā)器（圖3）。Xilinx在一個(gè)無源硅中介層上堆疊這些片芯，從而能夠在FPGA之間做出1萬多個(gè)互連。Xilinx公司首席技術(shù)官Ivo Bolsens表示：“SSI較其它方案在每瓦I/O帶寬性能上提高了兩個(gè)以上數(shù)量級(jí)，這再次說明了2.5D與3D在功耗與性能方面的差異?！?/p>

對(duì)于支持新3D IC項(xiàng)目的EDA工具的選擇，可能會(huì)使實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的方式產(chǎn)生差別。盡管可以采用現(xiàn)有的2D IC工具，但如果增加一些應(yīng)對(duì)3D設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的技術(shù)還是有好處的。大多數(shù)主要EDA供應(yīng)商都對(duì)3D IC采用一種謹(jǐn)慎的觀望態(tài)度，不到最終不會(huì)給自己的2D工具增加功能。同時(shí)，很多較小的EDA供應(yīng)商則正在建立面向3D設(shè)計(jì)的工具。例如，Tezzaron的3D PDK（工藝設(shè)計(jì)套件）就包含了新的以及已有的工具，能幫助將設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向3D。

1　TSV的不足

Synopsys公司實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Marco Casale-Rossi認(rèn)為，3D IC的EDA工具開發(fā)必須起始于TCAD，用于建立TSV物理特性的模型。該公司的硅工程部已經(jīng)與多家選定的合作伙伴做了這一工作。設(shè)計(jì)人員必須解決一個(gè)問題，即TSV會(huì)給靠近過孔開口處的有源硅區(qū)帶來應(yīng)力，這可能干擾電路的工作。在28nm工藝尺度時(shí)，“隔離區(qū)”（keep-out zone，即環(huán)繞一個(gè)TSV的區(qū)域，其中不能插入有源電路）可能要占據(jù)相當(dāng)于約5000只晶體管的面積。Casale-Rossi稱，如果在一只芯片上布放很多有相應(yīng)隔離區(qū)的TSV，則片芯上會(huì)產(chǎn)生大量不可用的區(qū)域。Synopsys最近申請了一項(xiàng)解決TSV所產(chǎn)生應(yīng)力的技術(shù)專利。該技術(shù)已不是TCAD軟件，而是IP（智能產(chǎn)權(quán)），Casale-Rossi預(yù)測它將有助于減輕3D IC制造中的應(yīng)力。該公司還申請了RLC建模（電阻/電容/電感）以及3D IC提取的專利應(yīng)用。

Synopsys 3D IC物理實(shí)現(xiàn)工具的開發(fā)基礎(chǔ)是其2D的布局與布線工具。Synopsys正在開發(fā)一種2.5D的設(shè)計(jì)工具，用于通過一個(gè)硅中介層連接多只用微凸塊的倒裝芯片。一個(gè)新出現(xiàn)的3D IC設(shè)計(jì)流將能在現(xiàn)有流程的每個(gè)階段（從數(shù)字設(shè)計(jì)的綜合與布局布線，到提取、物理驗(yàn)證以及時(shí)序簽核）做到TSV感知（圖4）。

2 增加平面規(guī)劃級(jí)

由于現(xiàn)有EDA工具都不支持TSV的自動(dòng)化布局與布線，因此必須用當(dāng)前做2D IC設(shè)計(jì)的工具，手動(dòng)地增加工具。據(jù)Cadence研究員Dave Noice稱，要修改2D工具與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫使之支持3D IC概念，會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)。例如，在2D設(shè)計(jì)中，第一個(gè)金屬層（或叫metal-1）代表著一片IC上最低的互連層，但3D IC改變了這種布局，它增加了通過TSV做連接的背面金屬層。

過去，設(shè)計(jì)者能夠用Cadence的Encounter數(shù)字實(shí)現(xiàn)工具，自動(dòng)地為倒裝芯片布線，在凸塊管腳與I/O處做45°的走線。Cadence還增強(qiáng)了該功能，能支持同時(shí)在片芯的頂面和底面的I/O走線。在平面規(guī)劃與布局階段給一只芯片增加了TSV以后，下一個(gè)挑戰(zhàn)將是連接分配。布線工具必須能夠分配連接，并優(yōu)化通過TSV連接到背面凸塊的線長。Noice表示，有些用戶錯(cuò)誤地認(rèn)為布線器可以布放TSV，其實(shí)設(shè)計(jì)者只能用布線器做連接。在一個(gè)堆疊片芯的結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)者的靈活性限制了平面規(guī)劃，無論是為一只新ASIC增加TSV，還是為采用某種3D封裝而修改設(shè)計(jì)。

對(duì)于3D IC設(shè)計(jì)，Cadence的平面規(guī)劃工具將這一問題看作一種普通的層次式2D設(shè)計(jì)。該工具會(huì)將每只片芯看作一個(gè)獨(dú)立的子塊。例如，如果用一個(gè)確定制造工藝來堆疊存儲(chǔ)片芯，則片芯“所有者”可以看到用于設(shè)計(jì)優(yōu)化的垂直連接界面，但只能編輯自己一側(cè)的TSV堆。

Magma設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司正在擴(kuò)展自己的Hydra平面規(guī)劃工具，它將一只3D芯片看成一組2D塊去作物理實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)3D設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。據(jù)Magma公司首席技術(shù)師Patrick Groeneveld稱，將一個(gè)3D設(shè)計(jì)劃分為2D部件會(huì)導(dǎo)致一系列新問題，如設(shè)計(jì)分區(qū)、TSV分配、跨片芯的接口、電源與地的分布，以及相應(yīng)的IR降與溫度分析等。

3 定制工具

一家私有EDA公司Micro Magic的銷售與營銷經(jīng)理Mark Mangum認(rèn)為，3D IC設(shè)計(jì)工具的市場一直過于狹小，無法吸引大型EDA公司的投入。該公司過去四年來從其開發(fā)合作伙伴獲得了3D設(shè)計(jì)專利，一直在做Max-3D布局工具（參考文獻(xiàn)5）。Mangum稱，普通的布局工具無法處理用于2D設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方案，即將所有獨(dú)立的數(shù)據(jù)組織成為一個(gè)大文件。而Max-3D則能夠在每個(gè)晶圓級(jí)上維護(hù)技術(shù)文件，并有一個(gè)用于TSV互連的獨(dú)立文件（圖5）。處理器與存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)者的工程團(tuán)隊(duì)（在3D IC項(xiàng)目中很常見）就可以分別做3D堆疊中自己的一部分，然后再做最終集成。

在3D IC數(shù)據(jù)庫組裝以后，必須驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，方法是追蹤TSV在整個(gè)堆疊上的連接，并做完整的DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查）與LVS（布局與邏輯圖對(duì)照）檢查。有時(shí)必須采用2D的物理驗(yàn)證工具，但Max-3D通過與Mentor Graphics的Calibre DRC與LVS工具的整合，消除了這個(gè)過程。Micro Magic還與Magma合作，將Magma的Quartz LVS與DRC工具整合到Max-3D中。Magma公司的Groeneveld稱，Quartz的未來改進(jìn)將使用戶能夠直接采用多種工藝描述，這對(duì)3D IC是必需的。采用Quartz LVS，一次運(yùn)行就可以檢查每只2D芯片，以及它們之間的3D互連（圖6）。要在一個(gè)3D技術(shù)文件中，指定層數(shù)與順序、互連材料，以及其它物理參數(shù)。然后，對(duì)3D IC的連接做一個(gè)TSV感知的提取。用Quartz中的調(diào)試環(huán)境，分析任何LVS的失配問題。

Magma計(jì)劃與顧客和制造商合作，為Quartz增加3D DRC功能，定義TSV驗(yàn)證設(shè)計(jì)所必需的規(guī)則、設(shè)計(jì)以及庫信息。Groeneveld稱，Magma還在做幾個(gè)其它的3D IC項(xiàng)目，如新增功能使用戶能夠使用內(nèi)置Quartz DRC與LVS檢查的Titan定制IC布局編輯器，一次對(duì)多只片芯做虛擬化和編輯。

Micro Magic的Mangum表示，設(shè)計(jì)者通常不愿意去轉(zhuǎn)換工具，或改變自己的2D流程，因此，如果可以將一個(gè)普通IC布局工具用于自己的3D設(shè)計(jì)，他們就會(huì)這么做。然而，在某些時(shí)候，普通工具無法應(yīng)付處理所需數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。該公司已對(duì)多達(dá)1萬億晶體管的設(shè)計(jì)驗(yàn)證了Max-3D，設(shè)計(jì)者也已用該工具開發(fā)了數(shù)據(jù)庫多達(dá)60GB~80GB的設(shè)計(jì)。Max-3D會(huì)在數(shù)據(jù)變得非常大時(shí)，接管3D設(shè)計(jì)工作，從而成為常見2D IC布局工具，如Cadence的Virtuoso的補(bǔ)充。Micro Magic公司提供對(duì)Si2（硅集成行動(dòng)組織）OpenAccess聯(lián)盟OpenAccess數(shù)據(jù)庫格式的全面支持，以協(xié)助設(shè)計(jì)流程的整合與互操作，這一數(shù)據(jù)庫格式的目的是提供互操作性，包括通過一種開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)API（應(yīng)用編程接口）以及在IC設(shè)計(jì)中支持該API的參考數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)IC設(shè)計(jì)工具之間的統(tǒng)一性數(shù)據(jù)交換。

4 3D分區(qū)的設(shè)計(jì)工具

現(xiàn)在，制造商們提供用于3D IC早期規(guī)劃和分區(qū)的工具。例如，Atrenta公司在SpyGlass-Physical Advanced工具中提供RTL（寄存器傳輸級(jí)）原型技術(shù)，用于3D IC的早期規(guī)劃與分區(qū)。2D的Atrenta SpyGlass工具使設(shè)計(jì)者能夠在設(shè)計(jì)周期的前期就開始做物理實(shí)現(xiàn)的可行性分析，此時(shí)RTL可能還未完成?？梢杂盟鼘?duì)多個(gè)平面規(guī)劃配置做虛擬化與評(píng)估，分析實(shí)現(xiàn)的可行性，選擇適當(dāng)?shù)墓鐸P，創(chuàng)建物理分區(qū)，以及生成針對(duì)IP和SoC（系統(tǒng)單芯片）實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)（圖7）。

對(duì)于3D IC，Atrenta與曾經(jīng)的Javelin Design Automation公司做了較早的嘗試（與IMEC和高通共同完成）。Atrenta最近揭幕了一處R&D設(shè)施，主要專注于3D技術(shù)以及先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)。當(dāng)IMEC與Javelin開始與高通合作3D IC工作時(shí)，首要的挑戰(zhàn)是必須能夠在系統(tǒng)級(jí)了解一個(gè)設(shè)計(jì)。IMEC首席科學(xué)家Pol Marchal表示：“我們必須找到一種能跨多級(jí)對(duì)設(shè)計(jì)分區(qū)的方式，并了解TSV對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的影響，這樣我們才能做一些早期的平面規(guī)劃?！彼f，IMEC能夠很容易地將Atrenta的SpyGlass轉(zhuǎn)而用于3D設(shè)計(jì)。

Atrenta公司研究員Ravi Varadarajan說，為探索與優(yōu)化3D設(shè)計(jì)，你需要一種能了解堆疊片芯結(jié)構(gòu)以及工藝技術(shù)的工具。在設(shè)計(jì)過程開始時(shí)（Atrenta把它叫做邏輯探路），必須要獲得設(shè)計(jì)者的意圖。Atrenta將每個(gè)片芯看成一個(gè)統(tǒng)一的2D分區(qū)，所有工作均基于OpenAccess API與數(shù)據(jù)庫格式。

Atrenta還與IMEC在一個(gè)alpha項(xiàng)目上展開合作，該項(xiàng)目將使設(shè)計(jì)者能夠?qū)⑵矫嬉?guī)劃的結(jié)果送入一個(gè)熱仿真引擎?，F(xiàn)有3D IC的熱分析商業(yè)工具有Gradient公司的HeatWave等。IMEC正在開發(fā)自己的工具，從而能夠使用從測試設(shè)備獲得的測量數(shù)據(jù)，方便地校正熱分析模型。IMEC還開發(fā)了自己的工具，與Atrenta的工具一起做機(jī)械應(yīng)力分析，Marchal認(rèn)同Synopsys關(guān)于在3D設(shè)計(jì)早期評(píng)估應(yīng)力效果的重要性。

新興的Monolithic 3D公司主要工作是針對(duì)3D IC的開發(fā)工具與制造技術(shù)。該公司正在做用于2D和3D IC的3DSim系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)劃仿真器。它可處理各種輸入，如晶體管參數(shù)、互連材料、3D堆疊層的數(shù)量，以及封裝等，開發(fā)出單根導(dǎo)線、邏輯門、電源分布、散熱以及時(shí)鐘分配等模型。也可以用3DSim研究對(duì)3D IC的設(shè)計(jì)折中。Monolithic公司提供開源Java的工具，可以在該公司網(wǎng)站上直接運(yùn)行。

5 測試3D堆疊

測試問題是3D堆疊片芯的另外一個(gè)挑戰(zhàn)。Mentor Graphics硅測試產(chǎn)品的營銷總監(jiān)Stephen Pateras稱，該公司正在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，并認(rèn)為在3D IC的測試中有三大問題：確認(rèn)好片芯，在封裝堆疊中后為需重測片芯提供通道，以及為封裝內(nèi)做片芯間互連的TSV提供通道?？紤]到實(shí)用中做晶圓級(jí)徹底測試的成本與復(fù)雜性，單芯片封裝內(nèi)的某些元件將不可避免地?zé)o法滿足規(guī)格要求。產(chǎn)量損失會(huì)成為產(chǎn)品工程師成本方程的組成部分，他們必須決定ROI（投資回報(bào)）是否足以支撐對(duì)已封裝片芯測試的額外成本。對(duì)于3D IC，這些挑戰(zhàn)改變了測試的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)橐恢黄镜氖Ь鸵馕吨仨殢U棄那些好的片芯。

Mentor Graphics公司的Tessent硅測試平臺(tái)提供針對(duì)一只片芯中所有部件的嵌入式BIST（內(nèi)置自檢）的工具，包括邏輯、存儲(chǔ)器以及混合信號(hào)與高速I/O。采用BIST方案可免除對(duì)通道的擔(dān)憂，而采用一個(gè)低速的JTAG（聯(lián)合測試工作小組）IEEE-1149.1端口。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149.1-1990定義了IC中用于輔助測試、維護(hù)以及已組裝PCB（印刷電路板）的內(nèi)置電路。該電路有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，系統(tǒng)通過該接口傳送指令與測試數(shù)據(jù)。它定義了一組測試功能，包括一個(gè)邊界掃描寄存器，這樣元件就可以響應(yīng)一個(gè)最小的指令集，輔助對(duì)已組裝PCB的測試。

采用BIST和ATPG（自動(dòng)測試模式生成），就可以對(duì)一只芯片中的各個(gè)塊，同時(shí)做分層的實(shí)際測試。這種方案并不新鮮，但對(duì)3D IC是一個(gè)關(guān)鍵，因?yàn)橐粋€(gè)堆疊芯片內(nèi)的中間片芯沒有與外部的連接。因此，就不能連接掃描測試的輸入與輸出。這一約束給3D設(shè)計(jì)帶來了新的需求：必須使用所謂的測試電梯，重新布放到TSV的測試通道。IMEC已向IEEE提交了這個(gè)架構(gòu)，作為1149.1規(guī)范的一個(gè)擴(kuò)充。采用測試電梯結(jié)構(gòu)，就必須在整個(gè)片芯堆疊中，包含將3D連接轉(zhuǎn)換為測試模式的走線與邏輯。設(shè)計(jì)要求改變了，因?yàn)檫@種方案意味著一個(gè)堆疊中的菊鏈?zhǔn)綔y試邏輯。使用測試電梯時(shí)，可以在一個(gè)片芯上使用多工器，傳送來自其它片芯的測試模式。另外，你可能還需要結(jié)合來自多個(gè)片芯的測試模式。Mentor Graphics的Tessent工具有新的3D功能，能夠插入測試電梯，以及可能需要重新確定原本用于一只片芯的測試序列的邏輯，允許通過一個(gè)TSV發(fā)送各個(gè)模式做重新測試。

Pateras說，Tessent對(duì)待3D片芯堆疊問題的方式是類似于在單只片芯中的2D層次式測試。層次式測試可單獨(dú)地處理一個(gè)片芯中的每個(gè)塊，然后在頂層重新排列模式的順序?？梢圆捎谩盎液凶印睖y試技術(shù)，即了解設(shè)計(jì)測試用例的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及算法。這種方案可以用于多片芯情況（而不是一只片芯中的多個(gè)IP塊），因此現(xiàn)在一個(gè)Verilog網(wǎng)表就能覆蓋全部封裝。

設(shè)計(jì)者可以采用Tessent的MBIST（存儲(chǔ)器BIST）控制器，對(duì)任意數(shù)量的存儲(chǔ)片芯以及連接它們的總線做完整的測試（圖8）。該公司的3D功能能夠在一只邏輯芯片上集成MBIST電路（獨(dú)立于DRAM片芯）?？梢允褂霉蚕砜偩€功能，支持多個(gè)存儲(chǔ)片芯，并使用后硅片的可編程能力，支持設(shè)計(jì)變更。這種方案能夠針對(duì)不同應(yīng)用，在一個(gè)邏輯芯片上支持堆疊存儲(chǔ)器的變動(dòng)，以及當(dāng)存儲(chǔ)器大小與性能規(guī)格發(fā)生變化時(shí)，支持對(duì)測試要求的修改。另外，還可以測試一個(gè)通過TSV與其它片芯邏輯相連接的片芯。這個(gè)功能同時(shí)提供了水平2D和垂直3D的掃描插入方法。

IMEC的3D IC首席科學(xué)家Erik Jan Marinissen稱，3D IC的測試必須解決三大類挑戰(zhàn)。

首先，必須確定需要測試什么，以及在制造周期中何時(shí)何地做這種測試。

接下來必須解決的問題是有關(guān)3D處理步驟以及TSV互連可能會(huì)造成的新缺陷。

第三大挑戰(zhàn)是測試通道問題。

IMEC對(duì)3D IC可測試性工具的工作包括與Cadence的合作，IMEC與Cadence在發(fā)布新聞時(shí)曾計(jì)劃在2011年設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)上做演示，大會(huì)預(yù)定在圣地亞哥舉辦。Marinissen也是IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)P1838項(xiàng)目的工作小組組長，P1838項(xiàng)目是：關(guān)于三維堆疊集成電路的測試通道架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。在一份有關(guān)3D IC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的白皮書中，Cadence表示，需要更多的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)，才能確定對(duì)新缺陷模型的需求。雖然2D IC缺陷（如開路、短路、靜電、延遲以及橋接缺陷）可能也適用于3D IC，但3D技術(shù)需要一種新的方法，將TSV缺陷映射到已知缺陷類型上。為滿足3D可控制性以及可觀測性目標(biāo)，Cadence還指出，跨多片芯的DFT（可測試性設(shè)計(jì)）資源的智能分配非常關(guān)鍵。