專家在座：半導體工程坐下來討論了對 3D-IC 的初步嘗試以及早期采用者將遇到的問題，西門子 EDA 產品管理高級總監 John Ferguson;Mick Posner，Cadence 計算解決方案事業部 IP 解決方案小芯片高級產品組總監;莫維盧斯的莫·費薩爾;是德科技新機會業務經理 Chris Mueth 和新思科技 3D-IC 編譯器平臺產品管理高級總監 Amlendu Shekhar Choubey。

從左到右：是德科技的 Mueth;Synopsys 的 Choubey;西門子 EDA 的弗格森;莫維盧斯的費薩爾;Cadence 的 Posner。

SE：大型芯片制造商和系統公司正在構建完整的 3D-IC 原型。您認為最大的挑戰是什么？

Mueth：問題在于合并多種技術，包括用于構建這些東西的過程。有一個可靠性因素和一個可制造性因素。這不僅僅是一種電氣設計。電氣部分與所有多物理場相互依賴。我們在內部制作自己的小芯片，并且我們一直在努力提高性能。但 3D-IC 還與可靠性和成本有關。小芯片很貴。您必須為部署小芯片的作業選擇正確的應用程序。

Ferguson：我們正在從多物理場的角度和流程實現來整合這一切。目前，很多焦點都集中在熱應力上。特別是，我們看到的不僅僅是從傳統可靠性的角度來看熱應力，您必須擔心分層或顛簸被剪切以及連接丟失。還有應力的電影響，改變晶體管的行為方式。這并沒有被捕捉到，這是我們現在關注的重要組成部分。

費薩爾：我們正在從芯片的靜態管理轉向動態管理。曾經有數據平面和控制平面，但電源管理/性能管理平面正在興起。這對芯片的功率和性能產生了巨大影響，尤其是當我們轉向 3D-IC 時，因為如果我無法探測堆棧中的第三號芯片，我該如何調試它？如何找出問題？第三層平面變得越來越重要。但具體來說，我們正在從靜態設計、過度設計，然后希望某些東西在硅中有效，到實際檢測它并使其在現場動態管理。這更多是從建筑方面來的。

Choubey：從 EDA 平臺的角度來看，問題是如何從 2D 設計轉向 3D-IC 設計。您如何將系統和設計中的所有復雜性（例如多物理場）引入系統和設計中，并在設計過程的早期很好地管理它們，以便在您到達最后時，您不會被增加三到四個月周轉時間的事情所困擾？我們習慣了 2D 設計中的線性流程，您從平面規劃開始，進行電氣和電力，然后將其交給封裝設計人員，他們將考慮所有系統級的事情——如何分解它，如何進行散熱。這不適用于 3D-IC。如果你先做“這個”，然后做“那個”，你會發現一些問題，讓你倒退九個月。九個月是你的總設計周轉時間。因此，您需要一個考慮到所有這些多物理場效應和電效應的平臺，因為它們是相互依賴的。它們不是獨立的。而且你必須將要使用的工藝節點歸零。你打算使用多個工藝節點還是只使用一個？你打算堆疊還是水平？你應該有某種方式來了解所有這些影響將如何相互作用并影響你的設計，然后做出決策并不斷完善它。你需要一個非常強大的設計分析能力，這樣隨著你的設計的成熟，你才能獲得做出這些決策的最佳信息，并可以得到一個正確的設計。你沒有時間發現你的熱問題導致你的時間無法滿足，或者現在你必須回去重新規劃或將你的設計重新劃分為多個小芯片。這不會發生。您需要一個將所有這些整合在一起的平臺，并以一種在我們習慣的不同單點工具之間轉換數據和導出/導入的開銷最小化的方式做到這一點，或者在最好的情況下消除。

波斯納：讓我們再來描述一下。3D 堆疊并不適合所有人。它并不適用于所有人。除非它提供您需要的東西，否則您不會承擔這種復雜程度，那就是計算擴展，也許是計算到內存的連接。我們相信這是一個需要解決的問題，但并不是每個人都有問題。這些解決方案將可供所有人使用。多芯片為您提供可擴展性，并且更適用于不同的應用。3D 增加了一定程度的復雜性、多物理場，以及我們在這里討論的一切。挑戰在于公司需要進行的投資。他們會從投資中獲得回報嗎？解決問題的方法有很多種，3D堆疊就是其中之一。主要挑戰之一是使用工具和知識產權來自動化流程，以便您可以加快上市時間，因為如果這些技術延遲了您，那么您將錯過市場窗口。

SE：是成本、復雜性還是工具，還是以上所有？你從哪里開始解決這個問題？

波斯納：這是復雜性和稀缺性的混合體。2025 年將是 3D 原型之年。今年將決定未來 3D 堆疊的成功程度。第一批進入 3D 設計領域的公司正在使用手動流程、早期版本的工具、早期版本的制造和 PDK。3D 的前景將取決于這些原型在 2025 年的成功。

弗格森：歸根結底是風險。如果您來自 2D 世界，那么我們在很大程度上有著悠久的歷史。我們知道如何正確地做這件事。完全失敗的可能性非常小。當您進入 3D 空間時，您會添加許多新的不確定性，而您在 2D 中不必擔心這些不確定性。所以現在你必須考慮，'如果我要冒這個風險，但我做錯了，那會付出什么代價？對我的業務有什么影響？另一方面，如果我做對了并且我早早出局，那會讓我領先多少？你必須平衡這些事情。有些東西，比如人工智能，你必須去 3D-IC。但如果你能不做 3D-IC，并不是每個人都會使用它。如果您在該領域有一個不是 3D-IC 的解決方案，那么這是正確的做法。您將節省時間和金錢，并且在產量或可靠性方面都不會有相同的故障可能性。

費薩爾：我同意風險。然而，我在市場上看到的一個更簡單的第一步是，你不是堆疊內存或邏輯，而是解決電力傳輸問題。高通 Nuvia 芯片的封裝中嵌入了 3D 電容器。這帶來了 20% 到 30% 的能效提升。從技術上講，它是 3D 的，但風險較低的問題陳述。它不會破壞設計。也許會稍微影響效率，但這是值得的。Graphcore還有另一個芯片，他們做到了這一點。他們堆疊了電容器以提高芯片的效率。因此，作為一名工程師，這可能是獲得 3D 并獲得 20% 到 30% 效率的一種風險較低的方法，這與堆疊邏輯或內存不同。您會看到較小的公司遲早會推出該版本的 3D。

Choubey：今天可能并不適合所有人，但這只是時間問題。總有先驅者，要么是因為他們可以投資一項技術，要么是因為他們有迫切的需求。然后技術成熟，風險降低，然后傳播開來。3D 堆疊目前主要用于 AI 應用，但人們會找到自己的利基應用，它就會到那里。這可能需要一些時間。但這項技術會成熟，然后我們將看到許多其他應用將由此產生。當 place-and-route 首次問世時，它并不適合所有人。這需要大量投資，而且不確定。然后它成熟了，現在你無法想到沒有自動化 P&R 的 2D 設計。要實現這一目標，需要大量的自動化和統一。將要進行這些設計的人來自 2D 世界。他們有多年的 2D 經驗。我們需要讓 3D 與 2D 有一定等價物。它有其自身的挑戰和復雜性，但它必須達到 2D 設計師可以說的地步，'我理解這一點。我知道這是怎么回事。我可以最大限度地降低風險并設計出比 2D 設計更多的東西。圣杯是，有一天你會像現在在 2D 中一樣在 3D 系統中進行 P&R。在生態系統中，我們有責任提出平臺并運行具有所有設計規則和所有標準化的 PDK。然后，您就可以看到多芯片解決方案在各行各業的潛力。

Mueth：這涉及很多風險，因為它成本高昂，而且今天沒有產量。所有這些都需要開發仍需成熟的流程和工作流程，以及能夠從多物理場和電氣方面處理異構設計的 3D 設計平臺。您需要選擇您的應用程序，而不是試圖將所有內容都嵌入到芯片中。在某些情況下，您可以從中受益。您必須權衡該特定用例與傳統方法。例如，在內部，我們正在做亞太赫茲射頻。將其放入小芯片中確實是一個很好的優勢。但是，一旦我們能夠將該信號轉換為可以通過 2D 設計方法處理的東西，它就會便宜得多，產量也會更高。因此，您只想選擇有意義的用例。

SE：第一步是預集成小芯片和模塊嗎？

Faisal：在3D-IC甚至2.5D系統中，突然間你開始獲得二階、三階和四階效果，比如振鈴和功率晃動，這是你甚至無法提前想象的。看到這一點的唯一方法是將一堆小芯片放入一個包中，然后您就會開始看到這些隨機音調出現在您的電網上。但你不會知道它們來自哪里。好吧，它們來自同一基板上具有獨特工作負載的多個小芯片的相互作用。不僅如此，您一周中的每一天可能都有不同的工作量。工作負載的變化速度比我們周轉芯片的速度還要快，因此這成為一個非常有趣的問題。

SE：通過下載一個小芯片的軟件更新，工作負載可能會發生變化，對吧？

費薩爾：是的，沒錯。

SE：那么，我們是否已經到了要處理 80/20 規則的地步，因為你無法為無休止的一系列一次性設計開發工具？我們需要流程讓工具發揮作用，除非你非常清楚要構建什么，否則你無法獲得這些流程。這里會有足夠的共性嗎？

Mueth：這很棘手，因為你需要選擇你的應用程序。它們往往是定制的。這并不是說你可以采用一種小芯片配置，它將成為每個人都使用的下一個 SoIC 包。事實并非如此。

Posner：我們在堆疊中遇到的是功率密度。它是特定于設計的。以計算堆疊為例。計算是功耗密集型的，因此這是非常自定義的。您不能使用標準電網陣列并期望滿足該應用的電源要求。這就是熱的用武之地。該技術的效率如何？您希望在模具之間轉移的皮焦耳/位是多少？所有這些都會影響您的信號和電源完整性、熱和機械翹曲。

Mueth：標準包裝適用于標準應用。但我們在這里談論的不是標準應用程序。

Posner：我個人認為 3D 多年來不會成為主流，因為風險、復雜性和成本。您要做的是創建工具，以逐個應用程序解決非常具體的大客戶用例。