富士通：超級(jí)計(jì)算機(jī)能否使用基于TSV的三維IC？

　　半導(dǎo)體的微細(xì)化(也就是摩爾定律)的發(fā)展前景籠上了陰云，微細(xì)化以外的技術(shù)(新摩爾定律)則備受期待。新摩爾定律的一項(xiàng)技術(shù)是使用TSV(硅通孔)的三維封裝IC?；赥SV的三維封裝能否用于超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理器IC?前不久的一場(chǎng)演講就是討論這個(gè)問題的。

　　這場(chǎng)演講發(fā)表于“ANSYS Electronics Simulation Expo”(2015年10月23日在東京舉辦)。演講人是富士通先進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)本部處理器開發(fā)統(tǒng)括部 第二開發(fā)部的汾陽弘慎(如圖)。

　　汾陽研究了PI(電源完整性)分析和熱分析能否用于基于TSV的三維IC的開發(fā)，并發(fā)布了研究結(jié)果。他在研究中使用了美國ANSYS公司的3種分析軟件，分別是RedHawk-GPS、ANSYS RedHawk和ANSYS Sentinel-TI。

　　這項(xiàng)研究有四個(gè)目的：(1)在布局設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)之前，能否對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行PI分析;(2)使用軟件是否真的能夠分析三維IC;(3)能否構(gòu)建三維IC的PI和熱分析流程;(4)超級(jí)計(jì)算機(jī)用處理器能否做成三維IC。

　　針 對(duì)第一個(gè)目的“在布局設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)之前，能否對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行PI分析”，研究中使用了RedHawk-GPS。即便在沒有布局設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的狀態(tài)下，只要使 用該軟件，就能通過GUI或腳本定義電力區(qū)域。使用定義好的電力區(qū)域信息，可以在開發(fā)初期進(jìn)行PI分析。汾陽研究的對(duì)象是使用1塊面朝上的芯片和TSV的 安裝模型(圖1)。

　　圖1：RedHawk-GPS的評(píng)價(jià)使用的安裝模型。圖片來自富士通的幻燈片資料，下同。 

　　圖2：RedHawk-GPS的運(yùn)行結(jié)果的一個(gè)例子。TSV的位置不同，會(huì)改變IR壓降。 

　　對(duì)于TSV只位于一邊和TSV位于四邊這兩種封裝進(jìn)行分析的結(jié)果顯示，與前者相比，后者的IR壓降小85%(圖2)。而且，在改變TSV的數(shù)量和間隔時(shí)，IR壓降也會(huì)出現(xiàn)差別。這表明，通過使用RedHawk-GPS在開發(fā)初期進(jìn)行PI分析，可以掌握IR壓降的趨勢(shì)。

　　PI和熱能否利用工具進(jìn)行分析

　　針對(duì)第二個(gè)目的“使用軟件是否真的能夠分析三維IC”，具體研究的是使用RedHawk和Sentinel-TI能否分析三維IC。首先以兩層邏輯IC芯片疊加而成的三維IC為模型，使用RedHawk實(shí)施PI分析(圖3)。分析使用的是現(xiàn)有芯片的布局?jǐn)?shù)據(jù)。

　　圖3：RedHawk與Sentinel-TI的評(píng)價(jià)使用的安裝模型。 

　　圖4：使用RedHawk的靜態(tài)IR壓降分析結(jié)果。 

　　具體分析了4邊設(shè)置TSV的設(shè)計(jì)(基準(zhǔn)案例)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)計(jì)(案例1)和進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)計(jì)(案例2)這三個(gè)案例。結(jié)果顯示，靜態(tài)IR壓降與動(dòng)態(tài)IR壓降，均按照基準(zhǔn)案例→案例1→案例2的順序得到了改善(圖4)。

　　Sentinel- TI使用上面案例2的設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)評(píng)，成功分析了上端芯片和下端芯片的溫度分布(圖5)。而且發(fā)現(xiàn)，TSV和微焊點(diǎn)在從三維模型改為線性模型后，分析結(jié)果 的溫度基本不變，而處理速度提高到了3.5倍。汾陽表示，這些情況“證明了使用RedHawk和Sentinel-TI可以分析三維IC”。

　　圖5：使用Sentinel-TI的熱分析結(jié)果。 

　　圖6：基于TSV的三維安裝IC的分析流程。 

　　最令人關(guān)注的是成本

　　另外，根據(jù)截至目前的研究，對(duì)于“能否構(gòu)建三維IC的PI和熱分析流程”這個(gè)問題，汾陽表示：“已經(jīng)構(gòu)建出能在開發(fā)初期以較短的TAT(周轉(zhuǎn)時(shí)間)完成PI和熱分析的循環(huán)流動(dòng)，并進(jìn)行了驗(yàn)證”(圖6)。

　　而且，對(duì)于“超級(jí)計(jì)算機(jī)用處理器能否做成三維IC”這一點(diǎn)，汾陽說：“研究結(jié)果證實(shí)，使用兩塊邏輯芯片疊加制作的超級(jí)計(jì)算機(jī)用高性能處理器IC，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度分析?！辈贿^汾陽也表示，在投入實(shí)用之前，還需要對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

　　演講結(jié)束后，筆者向汾陽詢問了個(gè)人比較關(guān)心的TSV封裝的制造成本問題。得到的回答是：“與PoP(Pacakge-on-Package)封裝相比，估計(jì)成本是其2～3倍?！庇纱丝梢?，與分析相比，成本可能才是基于TSV的三維封裝的課題。