3DIC为后摩尔时代追求最佳PPA提供理想平台

3DIC架构并非新事物，但因其在性能、成本方面的优势及其将异构技术和节点整合到单一封装中的能力，这种架构越来越受欢迎。随着开发者希望突破传统二维平面IC架构的复杂度和密度限制，3D集成提供了引入更多功能和增强性能的机会，同时可满足尺寸限制与成本要求。

3D结构有许多优点，例如性能通常由访问内存所需的时间和功耗决定。通过3D集成，存储器和逻辑电路可以集成到单个3D堆栈中。这种方法通过微间距互连大大增加了内存总线的宽度，同时通过缩短互连线路减少了传播延迟。这种连接可以使3D设计的内存访问带宽达到几十Tbps，而领先的2D设计带宽仅能达到数百Gbps。

从成本角度讲，配有不同部件的大型系统在芯片实现方面有多种优点。异构集成并不是将整个芯片放置在最复杂或最昂贵的技术节点上，而是针对系统的不同部分使用“恰当”节点。例如，先进节点仅用于系统的关键部分，而成本较低的节点则用于不太关键的部分。

增加垂直维度改变了集成电路设计策略

由于设计必须从3D角度考虑，而不是仅考虑典型2D平面设计的x、y，因此，必须增加z维度进行全面管理——从架构设计到逻辑验证和路由连接——包括凸块和通硅孔（TSV）、热量和电源分配网络（PDN）的新权衡（例如基于中介层与3D堆栈、逻辑内存与内存逻辑，以及混合键合与凸块），优化PPA仍然是一个关键指导因素。然而，由于3DIC的出现实现了立方毫米优化，因为不仅仅考虑两个方向，而且在所有的权衡决策中还必须考虑垂直维度。

更为复杂的是，3DIC的集成度更高，传统电路板和手工封装技术已经不合时宜，例如高速互连的凸块布局和定制布局，这导致了额外的瓶颈出现。最重要的是，以前不同学科之间的相互依赖性现在则需要在联合设计方法（人员和工具）中予以考虑，这涉及到设计IP、芯片封装、架构、实现和系统分析等所有阶段。

采取芯片优先的方法

尽管采用与印刷电路板（PCB）设计类似的方式考虑3D架构似乎是一种显而易见的选择，但3DIC最好采用芯片优先的方法——即优化（整个芯片的）设计IP并共同设计芯片系统和封装方法。在3DIC方法中，新思科技正在将IC设计的关键概念和创新成果引入3DIC领域。这需要考察3DIC的各个方面，例如架构设计、将高度自动化能力引入手动任务中、扩展解决方案以支持高级封装的高集成度，以及将签核分析集成到设计流程中。

3DIC将封装（过去采用类似PCB的工具进行管理）与芯片集成在一起。PCB工具没有连接在一起，无法适应规模和工艺的复杂性。典型的PCB中可能有10,000个接点。但在复杂的3DIC中，接点数量很快会达到数十亿，规模远远超出了过去以PCB为中心的方法所能管理的范围。对于以IP优化方式堆叠的裸晶，现有的PCB工具无法提供帮助。此外，PCB工具不能利用RTL或系统设计决策。现实情况是，单一的设计工具不可能处理3DIC的所有方面（IP、芯片、中介层、封装），这对完整堆栈的组装和可视化提出了迫切的需求。

新思科技3DIC Compiler作为一个为3DIC系统集成和优化而构建的平台可以做到这些。该解决方案专注于多芯片系统，如硅片上芯片中介层（2.5D）、晶片上芯片、晶片上晶片、芯片上芯片和3D SoC。

PPA三要素

通常，在想到大型的复杂SoC时，首先考虑优化的是面积。芯片开发者希望在芯片中集成尽可能多的功能，并提供尽可能高的性能。但随后，所需的功耗和热量始终要符合要求，特别是在移动、可穿戴AR和物联网等应用领域（在数据中心的高性能计算等领域也越来越重要，因为总体能耗也是优先考虑的事项）。实现3D结构使开发者能够持续增加产品的功能，而不会超过占位面积和高度的限制，同时还降低芯片成本。

但是，单独的工具只能解决设计3DIC时的部分复杂挑战。这就形成了巨大的设计反馈回路，无法及时将这些反馈整合在一起，形成每立方毫米最佳PPA的最佳解决方案。在多裸晶环境中，必须对整个系统进行分析和优化。孤立地对单个裸晶进行功耗和热量分析是不够的。更有效的解决方案是采用统一的平台，将整个系统的信号、功耗和热量分析整合到单个紧密耦合的解决方案中。

这正是3DIC Compiler的用武之地——通过一套完整的功耗和热量分析能力实现早期分析。该解决方案通过全面的自动化功能减少了迭代次数，同时提供功耗完整性、热量和噪声感知优化。这有助于开发者更好地了解系统性能，并围绕系统架构、在何处插入TSV以及最高效的裸晶堆叠方法进行探索。另外，它还有助于更有效地了解如何将各种设计要素组合在一起，甚至以某些方式将设计工程师与传统的2D设计技术联系起来。

3DIC是实现每立方毫米最佳PPA的理想平台