本文作者：柏嘉瑋，Cadence 公司 DSG Product Engineering Group

Integrity 3D-IC 平臺(tái)

提供了一系列三維堆疊設(shè)計(jì)流程，通過(guò)將二維芯片網(wǎng)表分解成雙層的三維堆疊結(jié)構(gòu)，用戶可以探索三維堆疊裸片系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的性能優(yōu)勢(shì)，改善內(nèi)存延遲，實(shí)現(xiàn)性能突破。

從二維設(shè)計(jì)中分離出存儲(chǔ)單元，并自動(dòng)將其劃分為兩個(gè)工藝層，上層放置存儲(chǔ)單元 Macro Cells，下層放置邏輯運(yùn)算單元 Standard Cells。該流程可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)裸片同時(shí)進(jìn)行的時(shí)序驅(qū)動(dòng)單元擺放。用戶還可以進(jìn)一步運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)步驟，如時(shí)鐘樹(shù)綜合、時(shí)序優(yōu)化、布線等，將其作為傳統(tǒng)布局布線流程來(lái)完成三維堆疊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

今天我們來(lái)介紹 Integrity 3D-IC 的特色功能之一：

Memory-on-Logic 三維芯片堆疊設(shè)計(jì)流程

What is Memory-on-Logic？

Memory 指的是記憶存儲(chǔ)單元；Logic 指的是運(yùn)算單元或處理單元。

Memory-on-logic（MoL）堆疊顧名思義，就是將存儲(chǔ)單元通過(guò)三維堆疊的設(shè)計(jì)方式，放置在運(yùn)算單元所在裸片的上層裸片中，從而實(shí)現(xiàn)三維集成電路的三維堆疊結(jié)構(gòu)。

Why is Memory-on-Logic？

我們現(xiàn)在正處于高速發(fā)展的人工智能時(shí)代，對(duì)計(jì)算機(jī)算力的需求日益旺盛，同時(shí)也對(duì)相關(guān)的集成電路芯片提出了更高的性能要求。

然而算力需求的快速增長(zhǎng)和有限的算力提升速度形成了尖銳的矛盾，其具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是如今的摩爾定律越來(lái)越難以維系，器件尺寸微縮越來(lái)越困難；二個(gè)是現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)架構(gòu)——馮諾依曼存算分離架構(gòu)的缺陷開(kāi)始凸顯，出現(xiàn)了所謂的內(nèi)存墻限制（Memory Wall Limitation）。

MoL 三維堆疊結(jié)構(gòu)為上述瓶頸提供了解決思路。對(duì)于后摩爾時(shí)代背景下的工藝瓶頸，三維堆疊可以有效提升單位投影面積中晶體管的數(shù)目，3D-IC 從方法學(xué)角度提供了一種延續(xù)摩爾定律的可能；對(duì)于存算分離所引起的內(nèi)存墻限制，通過(guò)把存儲(chǔ)單元通過(guò)三維堆疊放置到邏輯運(yùn)算單元的正上方，盡可能縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，從而進(jìn)一步提升芯片性能，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?。此外，通過(guò) 3D-IC Memory-on-Logic 結(jié)構(gòu)還可以對(duì)上下裸片采用不同的工藝制程，從而降低整體芯片的制造成本。

How to do Memory-on-Logic？

后端實(shí)現(xiàn)流程如下圖所示，對(duì)比傳統(tǒng)二維芯片，三維 MoL 芯片基于 3D-IC 專用物理后端實(shí)現(xiàn)平臺(tái)——Integrity 3D-IC，從 floorplan 階段開(kāi)始就加入 3D-IC 的設(shè)計(jì)方法，通過(guò) 3D Mixed Placer 引擎同時(shí)進(jìn)行 Macro Cells 和 Standard Cells 的自動(dòng)布局，建立 Pseudo-3D 時(shí)序收斂流程，從而實(shí)現(xiàn) 3D-IC MoL 的迭代優(yōu)化、時(shí)鐘樹(shù)綜合、自動(dòng)繞線等步驟，在簽核階段還可以通過(guò) Integrity 3D-IC 平臺(tái)來(lái)調(diào)用各類 Signoff 工具實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)簽核。

1. 3D Mixed Placement

規(guī)劃 Floorplan 是傳統(tǒng)數(shù)字后端實(shí)現(xiàn)流程早期的一個(gè)重要階段，主要目標(biāo)之一便是 Macro Cells 的放置。傳統(tǒng) Floorplan 的規(guī)劃需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)工程師多次的設(shè)計(jì)迭代，從而獲得一個(gè)互連線長(zhǎng)盡量短、時(shí)序盡量收斂的 Floorplan 以供之后階段進(jìn)行自動(dòng)布局布線。如今，采用 Mixed Placement 實(shí)現(xiàn)流程，Macro Cells 和 Standard Cells 通過(guò)由擁塞、互連線長(zhǎng)和時(shí)序驅(qū)動(dòng)的 Mixed Placer 引擎同時(shí)進(jìn)行放置，與傳統(tǒng)流程相比，Mixed Placement 可以大量減少設(shè)計(jì)工程師的手動(dòng)工作量，從而實(shí)現(xiàn)更短的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)時(shí)間，并達(dá)到相當(dāng)甚至更好的性能質(zhì)量。而在最新的 Integrity 3D-IC 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，Mixed Placement 功能可以完美繼承到 3D-IC MoL 實(shí)現(xiàn)流程中，在進(jìn)行 3D-IC Placement 的過(guò)程中幫助工程師用盡可能短的時(shí)間，獲得滿足要求的 Floorplan。3D-IC MoL Mixed Placement 引擎同樣由時(shí)序驅(qū)動(dòng)，同時(shí)擺放 Macro Cells 和 Standard Cells，同時(shí)如圖中所示，還能支持在上層裸片中 80% 以上的高密度放置。

2. Pseudo-3D Timing Closure Flow

在完成初步的 3D-IC MoL Floorplan 之后，可以在 Integrity 3D-IC 平臺(tái)中通過(guò)命令來(lái)建立 Pseudo-3D 時(shí)序收斂流程，完成 3D-IC MoL 的版圖實(shí)現(xiàn)。主要分為 3D 層次化結(jié)構(gòu)的重建、Bump 物理位置分配、Pseudo-3D 自動(dòng)布局布線、以及 3D-IC 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。

01. 重建 3D 層次化結(jié)構(gòu)

相較于傳統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)，3D-IC 設(shè)計(jì)的層次化結(jié)構(gòu)的不同是顯而易見(jiàn)的。3D-IC 設(shè)計(jì)由于會(huì)將芯片分為上下兩個(gè)裸片—— Top Die 和 Bottom Die，天生就需要建立兩個(gè)單元模塊。工具會(huì)根據(jù)用戶的設(shè)定，建立兩個(gè)新的 Top-Level hInsts，隨后將所有設(shè)計(jì)中的 Macro Cells 歸入 Top hInst 中；剩下所有的 Standard Cells，在保留原有的層次化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，全部歸入Bottom hInst 中，其下級(jí)可繼承保持原始設(shè)計(jì)中的所有層次化結(jié)構(gòu)。

02. 分配 Bump 物理位置

從結(jié)構(gòu)層面上實(shí)現(xiàn)三維分組之后，三維堆疊的互連問(wèn)題也必須考慮。為了將上下裸片連接起來(lái)，最常用的方式是在頂部金屬層上通過(guò)微米量級(jí)尺寸的 Micro Bump 實(shí)現(xiàn)上下層“面對(duì)面”（Face-to-Face）的堆疊連接，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和電源電信號(hào)跨層傳輸。在 Pseudo-3D 流程中，所選用的 Bump Cells 的物理位置需要在做實(shí)際繞線之前就固定好，并記錄其坐標(biāo)信息。設(shè)計(jì)者不需要手動(dòng)分配規(guī)劃 Bump 的位置，Integrity 3D-IC 可以自動(dòng)地將 Bump 邏輯連接關(guān)系插入跨層的時(shí)序路徑中，并能根據(jù)設(shè)計(jì)師提供的 Floorplan 中單元的已有位置，同時(shí)在上下兩個(gè)裸片上，智能地分配和優(yōu)化 Bump Cells 的物理位置，做到高效的流程，自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，智能的優(yōu)化。

03. Pseudo-3D 自動(dòng)布局布線

工作準(zhǔn)備就緒后，我們就可以利用帶有 Bump Cells 信息的 Pseudo-3D Floorplan 進(jìn)行自動(dòng)布局布線，Integrity 3D-IC 平臺(tái)可以調(diào)用各種相應(yīng)的傳統(tǒng)二維布局布線引擎，完成 Placement、CTS、Routing 以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。同時(shí)，Integrity 3D-IC 也可以支持跨層的時(shí)序路徑的報(bào)告分析，支持顯示例化單元 Instances 和路徑所在的結(jié)構(gòu)層級(jí)，幫助工程師完成靜態(tài)時(shí)序分析。此外，Integrity 3D-IC 還支持跨層路徑的并行時(shí)序優(yōu)化，確保 3D-IC 設(shè)計(jì)的時(shí)序收斂。

04. 建立 3D-IC 數(shù)據(jù)庫(kù)

最后一步，根據(jù)優(yōu)化后的自動(dòng)布局布線結(jié)果，建立 3D-IC 專用數(shù)據(jù)庫(kù)——Hierarchical Database（HDB）。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中就包含了包括整個(gè)設(shè)計(jì)的工藝庫(kù)信息，3D-IC 的堆疊信息，Bump 坐標(biāo)信息，物理布局布線等設(shè)計(jì)信息等等。在通過(guò)Integrity 3D-IC 創(chuàng)建好用以明確 3D-IC 的堆疊對(duì)應(yīng)信息的 Stacked Config 文件之后，需要將完成了布局布線的 pseudo-3D 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行 Partition 拆分操作，將它按照上下裸片拆分成兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，即 Top Die Database 和 Bottom Die Database。

將這兩個(gè)完成 Partition 拆分的數(shù)據(jù)庫(kù)以及 Stacked Config 文件讀入 Integrity 3D-IC 中，合成創(chuàng)建 HDB 數(shù)據(jù)庫(kù)。在 Integrity 3D-IC 平臺(tái)中加載此數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以實(shí)現(xiàn) 3D-IC 設(shè)計(jì)的查看，包括可以實(shí)現(xiàn)在工具中上下兩層 Floorplan 視圖的切換，觀察每層中的單元擺放、繞線等后端實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)；也可以對(duì)包含三維堆疊信息的整體 3D Floorplan 視圖進(jìn)行直接查看；此外傳統(tǒng)的時(shí)序調(diào)試器（Timing Debugger）也支持在 3D-IC HDB 中高亮跨層的時(shí)序路徑，幫助工程師完成時(shí)序檢查和設(shè)計(jì)調(diào)整，也可以進(jìn)一步調(diào)用其他 Signoff 工具，完成后續(xù)簽核工作。

存算一體和近存計(jì)算是解決 CPU / GPU / NPU 總線和大規(guī)模片上網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效手段。

通過(guò) Integrity 3D-IC 特有的內(nèi)存單元邏輯單元三維布局優(yōu)化，芯片設(shè)計(jì)師可以更容易的實(shí)現(xiàn)高性能高帶寬的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而或者縮小原有系統(tǒng)封裝面積或者進(jìn)一步提高原有系統(tǒng) PPA。

審核編輯 黃宇