三維集成電路系統的電網分析

在高級節點，有效的電網分析是確保小尺寸連接器可以處理電流需求，而不會造成潛在失效模式或信號完整性問題的關鍵。現有的電網分析工具需要按照2.5維和三維設計進行拓展和增強，從而滿足新的需求和使用模式。本文介紹了一些必要的改進。

以系統為中心的電網分析

在三維集成電路系統中，幾個晶粒共享相同的網絡供電。電網分析 (PGA) 工具必須同時分析所有晶粒，因為一個晶粒的電壓降可能直接與另一個相關聯。此外，電網分析解決方案必須支持各種2.5維/三維晶粒配置 -- 包括布局、定向和堆疊順序 -- 以及晶粒內部連接器模型。

一個系統中的每個晶粒可能已經按照其應用和需求采用了不同的工藝節點。一個系統可能包含 40nm 和 28nm 設計的晶粒以及 65nm 設計的基板夾層(interposer)。增量技術文件定義和校準在這個使用案例中發揮了重要作用，因為終端用戶只需校準與2.5維/三維整合相關的新堆疊定義部分，而不用重新校準整個堆疊。

2.5維/三維流程的電網分析工具還必須考慮垂直整合所需的更多“對象”，如背面凸塊(microbumps)和背面金屬層（圖1）。三維結構中的背面金屬層呈45度角，而不是正面金屬層常用的90度，這將對功率分析模型產生影響。對于全三維系統，電網分析工具需要給正面和背面金屬之間的硅穿孔(TSV)定義準確的模型，而對于2.5維系統，電網分析工具必須能夠模擬只包含金屬（下面沒有器件）的鈍化基板夾層(interposer)。

使用模型

考慮到2.5維和三維系統的常規尺寸以及需要整合第三方晶粒，電網分析解決方案必須能夠以三種不同的模式運行。

●基于功率模型的電網分析模式 -- 在基于功率模型的模式中，每個晶粒表現為緊湊的功率模型，電網分析工具使用這些模型及其連接分析整個2.5維/三維集成電路系統。這種模式運行相當快，提供了高水平的系統電網分析，但是它僅限于檢測晶粒內連接問題。由于功率模型是為了特定技術節點角而創建，一個電網分析解決方案必須能夠處理不同條件下的不同緊湊功率模型。例如，1.2V 條件下90nm 晶粒模型和1.0V 條件下 65nm 的晶粒模型組合在一起的情況。

●全2.5維/三維電網分析模式 -- 終端用戶希望分析特定多晶粒網的電壓降，但是算起來代價十分高昂。為了支持這個模式，電網分析工具的容量和周轉時間必須比現有工具好幾個數量級。

●混合電網分析模式 -- 混合模式受到分析第三方晶粒整合需求的推動。它支持一系列混合的緊湊型功率模型和晶粒，在這種情況下第三方晶粒僅表現為緊湊模型，用于整合進系統電網分析。

設計流程中的電網分析

為了盡早、高效地檢測、診斷和糾正電網問題，設計人員應該在布圖規劃、時鐘樹綜合后以及電路實現后階段進行電網分析。為了提供有意義的分析，必須考慮到系統在既定晶粒（如其它晶粒、基板夾層(interposer)、三維集成電路整合對象等等）上的效果，用戶應該能夠輕松分析系統相互作用。一個既定堆疊內的多幀功能和晶粒間瀏覽使用戶能夠高效地審查、診斷和排除電網問題。盡管這些功能需要工具擁有明顯較大的數據容量和更快的響應時間，但是它們對于調試動態的電網分析運行特別重要。

電網分析輸出

一個電網分析解決方案產生一個全系統功率模型，可用于包裝/電路板電源完整性分析。進行部分模型創建的能力對于支持第三方 IP 整合來說也非常重要。例如，如果一個供應商分析一個基板夾層(interposer)上的一個將由客戶連接至另一個晶粒的晶粒，那么這個供應商需要為第一個晶粒提供功率模型，還要為基板夾層(interposer)提供寄生網表。

結論

當今的電網分析工具提供的功能遠遠無法滿足2.5維/三維集成電路的電網分析需要。功率是2.5維/三維集成電路物理實現中最大的挑戰之一，由此產生的問題無法僅在寄存器傳輸級 (RTL) 得到解決。為了使半導體行業完全支持除2.5維以外的三維整合、存儲器堆疊以及廣泛的 IO 應用，電網分析解決方案必須解決本文討論的需求，尤其是如果目標是為擁有具有強大的多晶粒電網布圖規劃能力的真正三維集成電路整合流程。