台积电（TSMC）通过3DBlox框架最大化3DIC设计生产力

逍遥设计自动化

引言
半导体行业不断推动芯片性能、能效和密度的边界。进入2024年，3D集成电路（3DIC）已成为这一不懈追求中的下一个前沿。台湾积体电路制造公司（TSMC）通过其创新的3DBlox框架，在简化3DIC设计过程方面取得了显著进展。

本文将探讨TSMC开发3DBlox的历程，从其起源到2024年的最新创新。研究3DIC设计面临的挑战，以及TSMC的解决方案如何为更高效和可扩展的3D集成提供支持[1]。
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3DBlox的诞生
5 v4 C$ Q7 j3 w# p$ h  B8 n2022年，TSMC开始探索如何表示其3DFabric产品，特别关注两项关键技术：晶圆上晶片上基板（CoWoS）和集成扇出（INFO）。CoWoS使用硅中介层集成芯片，而INFO使用重分布层（RDL）中介层。TSMC的创新导致了混合方法的产生，如CoWoS-R（用RDL技术替代硅中介层）和CoWoS-L（集成局部硅互连）。

0 f* l# i3 a' W( U0 l! @: d随着这些产品的复杂性增加，TSMC认识到需要一种系统的表示方法。这一认识催生了3DBlox，一种旨在高效建模各种3DIC配置的标准化设计语言。该框架专注于三个关键元素：Chiplet、Chiplet接口和接口之间的连接。

3DBlox的演进：2023年发展
0 z2 {7 l& _  b4 W* c8 J* G/ P到2023年，TSMC已经改进了重点，解决3DIC设计的两个关键方面：Chiplet重用和设计可行性。公司引入了一种自上而下的方法进行早期设计探索，使TSMC及其客户能够在所有设计细节确定之前进行初步的电气和热分析。

) y. G; c% A2 g: q一项重大进展是开发了一个系统，允许Chiplet被镜像、旋转或翻转，同时保持Chiplet信息的主列表。这一创新导致了跨多个Chiplet的设计规则检查方法的简化，大大提高了设计过程的效率。

克服复杂性：2024年创新
随着3DIC系统变得更加复杂，TSMC在2024年面临新的挑战。关键创新是在处理3D设计挑战方面的范式转变。通过将这些复杂的3D问题分解为更易管理的2D问题，TSMC能够利用已建立的2D设计解决方案，简化整个过程。
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公司在3D布局规划阶段专注于三个关键元素：总线、硅通孔（TSV）和电源/地（PG）结构。一旦定位，这些元素被转换为二维问题，允许设计师应用熟悉的2D设计技术来解决3D挑战。

9 H+ V: c# ?# y2024年关键技术发展
- Q, J! M; G% {. N3 i/ XTSMC在2024年最大化3DIC设计生产力的努力集中在五个主要领域：

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1. 设计规划
! a* y4 K; r9 ]( C, o在3DIC系统中，总线、TSV和PG结构的放置需要仔细考虑电气和物理约束，特别是电迁移和IR（EMIR）约束。TSMC开发了创新解决方案来管理这些复杂性：
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将单个TSV实体转换为密度值进行数值建模

利用人工智能驱动的引擎（如Cadence Cerebrus智能芯片探索器和Synopsys DSO.ai）探索解决方案空间

通过与关键客户合作强调芯片-封装共同设计

2. 实现
随着客户推动增加Chiplet重用，TSMC增强了3DBlox语言以支持不断增长的3DIC设计：

在3DBlox中开发分层解决方案

识别四种主要类型的对准标记

在布局布线流程中自动插入标记

' _2 a8 j9 s# o& n2 t( P/ f2 H3. 分析
, g0 X) s* k. D$ I3 o多物理场相互作用，特别是热问题，在3DIC设计中变得更加突出。TSMC通过以下方式解决这些挑战：
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开发一个通用数据库，允许不同引擎根据预定义标准进行交互和收敛

引入翘曲分析工具，这对较大的3DIC Fabric至关重要

创建Mech Tech文件以促进应力模拟

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4. 物理验证
$ h3 M! Z3 y  X  j9 kTSMC解决了3DIC设计中的关键验证挑战：

通过与EDA合作伙伴合作解决天线效应

增强复杂多芯片配置的布局与原理图（LVS）验证

在3DBlox中开发自动生成工具，以准确验证任何配置
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5. 基板布线
随着3DIC集成规模的扩大，基板布线的复杂性也随之增加。TSMC在这一领域的创新包括：

改进中介层基板Tech文件格式以建模高度复杂的结构

将tear drops等详细元素纳入模型

通过3DFabric联盟与OSAT合作伙伴合作支持新格式

3DBlox对3DIC设计的影响
7 _- V9 u: x8 R1 M! A! r7 V4 iTSMC的3DBlox框架彻底改变了3DIC设计过程，提供了几个关键优势：

标准化：通过提供表示3DIC配置的通用语言和格式，3DBlox简化了不同设计团队和工具之间的沟通。

早期设计探索：自上而下的方法使设计师能够在设计过程的早期阶段进行关键分析，减少后期昂贵的迭代。

高效Chiplet重用：镜像、旋转和翻转Chiplet的能力，同时保持一致的信息，增强了设计组件的可重用性。

简化复杂性管理：通过将3D问题分解为2D解决方案，3DBlox使设计师更容易处理3DIC系统的固有复杂性。

增强多物理场分析：不同分析引擎的通用数据库允许更准确地建模3DIC设计中的复杂相互作用。

改进验证：DRC和LVS验证的进步确保了日益复杂的3DIC设计的完整性和可制造性。

可扩展性：随着3DIC设计在规模和复杂性上的增长，3DBlox提供了一个可以适应新挑战和要求的灵活框架。
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3 [2 V  h) W! V, t. \+ I( b$ }未来展望
/ p+ `) r* B( z! F8 Y- S随着半导体行业继续推动集成和性能的边界，3DBlox在实现先进3DIC设计方面的作用将会增长。TSMC计划通过IEEE公开3DBlox标准，这一承诺表明了公司的创新精神，促进了行业内更广泛的采用和协作开发。
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3DIC设计的挑战远未结束，但有了像3DBlox这样的框架，业界已经做好了应对未来芯片设计复杂性的准备。展望未来，可以期待3DBlox的进一步改进和增强，实现更复杂的3DIC配置，推动半导体技术的极限。
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结论
TSMC的3DBlox框架代表了3DIC设计方法的进步。通过解决设计规划、实现、分析、验证和基板布线的关键挑战，3DBlox为更高效和可扩展的3DIC解决方案提供了支持。随着行业朝着越来越复杂和高性能的芯片设计发展，3DBlox这样的工具将在将创新概念转化为可制造的现实方面发挥关键作用。3DBlox从2022年到2024年的发展展示了半导体行业创新的快速步伐，为未来几年的令人兴奋的发展奠定了基础。

参考文献
[1] K. Rajendiran, "Maximizing 3DIC Design Productivity with 3DBlox: A Look at TSMC's Progress and Innovations in 2024," SemiWiki, Oct. 08, 2024. [Online].Available:https://semiwiki.com/ip/349657-maximizing-3dic-design-productivity-with-3dblox-a-look-at-tsmcs-progress-and-innovations-in-2024/
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