文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了三維集成電路設(shè)計中TSV（硅通孔）技術(shù)的設(shè)計優(yōu)化。

在三維集成電路設(shè)計中，TSV（硅通孔）技術(shù)通過垂直互連顯著提升了系統(tǒng)集成密度與性能，但其物理尺寸效應(yīng)與寄生參數(shù)對互連特性的影響已成為設(shè)計優(yōu)化的核心挑戰(zhàn)，本文分述如下：

RLC延時模型

信號反射

多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化算法

RLC延時模型

在寄生效應(yīng)分析方面，TSV的RC特性對互連延時與功耗的影響尤為關(guān)鍵。三維集成技術(shù)通過壓縮全局互連線長，使最大互連延時較二維系統(tǒng)降低40%~50%，但TSV RC效應(yīng)在中小規(guī)模電路中逐漸凸顯。當(dāng)門電路規(guī)模降至1mm2時，包含TSV的三維系統(tǒng)延時達(dá)0.45ns，接近二維系統(tǒng)的0.5ns。

為應(yīng)對高頻信號下的電感效應(yīng)，提出了分布式RLC互連延時模型，將互連線等效為均勻的RLC傳輸線。該模型表明，隨著系統(tǒng)時鐘頻率增大與信號上升時間縮短，互連電感效應(yīng)成為不可忽視的因素，尤其在采用寬厚金屬線的全局信號線和時鐘線中，電感導(dǎo)致的延時增大、電壓過沖和感性串?dāng)_問題更為顯著。

通過合理布局TSV并優(yōu)化各層互連線段長，可有效降低全局互連延時。近期研究突破包括“智能TSV屏蔽”技術(shù)，通過動態(tài)關(guān)閉空閑TSV，將中小規(guī)模電路的TSV功耗降低30%；“分布式緩沖器-TSV協(xié)同設(shè)計”方法，使緩沖器數(shù)目減少25%的同時保持延時性能不變。此外，TSV熱-電耦合分析模塊，可實時預(yù)測不同布局方案下的功耗-延時乘積，設(shè)計效率提升40%。

在材料與工藝創(chuàng)新方面，玻璃通孔（GTV）技術(shù)，通過低介電常數(shù)玻璃基板替代傳統(tǒng)硅基，將TSV寄生電容降低40%，為高頻應(yīng)用開辟了新路徑；石墨烯包覆TSV結(jié)構(gòu)，成功將TSV電阻降低至銅互連的1/10，顯著緩解了TSV RC效應(yīng)。這些進(jìn)展表明，精確量化TSV效應(yīng)并開發(fā)跨層優(yōu)化技術(shù)，已成為釋放三維集成潛力的關(guān)鍵。

信號反射

在三維集成電路設(shè)計中，信號完整性已成為制約高速互連性能的核心挑戰(zhàn)，其中反射效應(yīng)因TSV阻抗突變而尤為顯著。當(dāng)信號沿分布式RLC傳輸線傳播時，瞬態(tài)阻抗的變化會導(dǎo)致部分信號反射，引發(fā)振鈴、過沖等失真問題，這一問題在大規(guī)模集成系統(tǒng)中因信號上升時間縮短而進(jìn)一步加劇。反射系數(shù)ρ作為衡量阻抗不連續(xù)性的關(guān)鍵指標(biāo)，定義為反射電壓與入射電壓的比值，其表達(dá)式為：

式中，Z?與Z?分別為信號傳播路徑中相鄰區(qū)域的特征阻抗。在高頻條件下，互連電阻R與電導(dǎo)G的影響可忽略，特征阻抗可簡化為：

其中，L與C為互連線單位長度的分布電感與電容。對于垂直TSV而言，其等效電感LTSV與電容CTSV與物理尺寸（半徑rTSV、高度hTSV）強(qiáng)相關(guān)，因此優(yōu)化TSV幾何參數(shù)成為減小反射系數(shù)的直接手段。

然而，實際工藝中TSV尺寸受設(shè)計規(guī)則嚴(yán)格限制，冗余通孔技術(shù)通過并行插入多個通孔，在提升制造良率的同時，等效調(diào)整了TSV的電學(xué)特性，實現(xiàn)與單個大尺寸TSV相近的阻抗匹配效果。

近期行業(yè)進(jìn)展為信號完整性優(yōu)化提供了新思路。例如，3nm 3D IC工藝中引入“自適應(yīng)阻抗匹配”技術(shù)，通過動態(tài)調(diào)節(jié)緩沖器輸出阻抗，使Z?與Z?實時匹配，將反射系數(shù)降低至0.1以下；“分布式TSV陣列”設(shè)計，利用多個小尺寸TSV并行連接，在保持垂直互連密度的同時，將特征阻抗波動控制在5%以內(nèi)。此外，TSV反射分析模塊，可精準(zhǔn)預(yù)測不同布局方案下的信號失真程度，設(shè)計周期縮短40%。在材料創(chuàng)新方面，碳納米管（CNT）TSV技術(shù)，通過低電阻率材料將TSV等效電感降低30%，顯著緩解了阻抗突變問題。

這些技術(shù)突破表明，精確量化TSV電學(xué)特性并開發(fā)跨層優(yōu)化技術(shù)，已成為保障3D IC信號完整性的關(guān)鍵。未來，隨著晶圓級異構(gòu)集成技術(shù)的演進(jìn)，TSV尺寸效應(yīng)與寄生效應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化將持續(xù)深化，為高頻、高速三維集成系統(tǒng)提供性能保障。

多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化算法

在三維集成電路設(shè)計中，信號傳輸延遲與反射畸變控制是互連優(yōu)化領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)?；趥鬏斁€理論分析可知，三維互連系統(tǒng)的時延特性不僅與分段連線長度及硅通孔（TSV）物理尺寸相關(guān)，更受到信號反射系數(shù)的顯著影響。為同時實現(xiàn)低時延、高傳輸速率與長距離信號完整性，需建立多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化框架，對TSV插入位置、冗余通孔數(shù)目及分段線長進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計。

具體而言，硅通孔高度受限于襯底減薄工藝水平，在特定技術(shù)節(jié)點下可視為定值，因此優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)化為最小化互連總時延與反射系數(shù)的組合目標(biāo)。

算法執(zhí)行流程遵循閉環(huán)優(yōu)化策略：首先初始化冗余通孔配置，基于傳輸線模型計算初始反射系數(shù)；繼而通過布局優(yōu)化算法確定最佳分段線長及對應(yīng)時延；再通過尺寸優(yōu)化調(diào)整冗余通孔數(shù)目，獲得改進(jìn)后的反射系數(shù)與次優(yōu)時延；若次優(yōu)時延未達(dá)收斂閾值，則循環(huán)執(zhí)行布局-尺寸優(yōu)化步驟，直至獲得全局最優(yōu)解，同步確定最佳分段線長配置及冗余通孔分布。

值得關(guān)注的是，隨著先進(jìn)封裝技術(shù)向5nm及以下節(jié)點演進(jìn)，多物理場耦合效應(yīng)對TSV優(yōu)化的影響日益顯著。近期研究顯示，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的代理模型可有效提升多目標(biāo)優(yōu)化效率，例如采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)實現(xiàn)時延與反射的快速權(quán)衡。此外，2024年IEEE國際固態(tài)電路會議（ISSCC）報道的混合鍵合技術(shù)，通過亞微米級對準(zhǔn)精度顯著降低了TSV間距需求，為三維互連優(yōu)化提供了新的設(shè)計自由度。這些技術(shù)進(jìn)展表明，多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化算法正朝著與工藝技術(shù)深度融合的方向發(fā)展，未來將更注重設(shè)計-制造協(xié)同（DTCO）框架的構(gòu)建。