מולטיפיזיקה אוטומטית לתכנון מוצלח של 3D IC

ניהול הספק, חום ומורכבות להשגת אמינות וביצועים.

עבור צוותי תכנון המאמצים ארכיטקטורות 3D IC, החתירה הבלתי פוסקת לביצועים ולאמינות מביאה עמה מערך מוכר, אך מורכב יותר ויותר, של אתגרים: כיצד מנהלים את ההספק, מפזרים את החום ומתמודדים עם יחסי הגומלין המורכבים בין התופעות הפיזיקליות השונות בתוך ארכיטקטורות מוערמות אלה? בעוד ש-3D IC מציעים יתרונות משמעותיים מבחינת גודל, ביצועים, יעילות הספק ועלות, הם גם מציגים רמה חדשה של מורכבות. התמודדות מוצלחת עם אתגרים אלה, ובמיוחד עם ניהול ההספק, פיזור החום ויחסי הגומלין המורכבים בין תופעות פיזיקליות שונות, דורשת גישה מתוחכמת המבוססת על ניתוח מולטיפיזיקלי אוטומטי, שיתוף פעולה משופר ומתודולוגיית Shift-Left.

האתגרים הגוברים של 3D IC

המעבר מארכיטקטורות System-on-Chip ‏(SoC) דו-ממדיות מסורתיות לאינטגרציה הטרוגנית ולערימה תלת-ממדית מלאה שינה באופן מהותי את סביבת התכנון. בעוד שתכנון דו-ממדי התבסס במידה רבה על ערכות תכנון תהליך (PDKs) מבוססות היטב להשגת תוצאות צפויות, 3D IC מביאים עמם חומרים חדשים, כמויות עצומות של נתונים ואפקטים מורכבים של אינטראקציה. מתכננים אינם יכולים עוד להתייחס לתופעות מכניות, תרמיות ולתופעות הקשורות להספק כאל גורמים שניתן להפשיט מהתכנון; כיום הן מהוות מרכיב מרכזי בהשגת תכנון אמין.

נבחן את הקשר הבסיסי בין הספק לחום: צריכת הספק מייצרת חום באופן ישיר. חום זה, בתורו, עלול לגרום לעיוות של מוליכים ולשנות את התנהגות הטרנזיסטורים. שינויים אלה מתפשטים לאורך התכנון ומחייבים עדכון של הערכות ההספק וביצוע מחדש של ניתוחי התזמון. ערימה של מספר Dies, ‏Chiplets ורכיבים בתוך מארזים קומפקטיים מגבירה עוד יותר את המורכבות הזו. איור 1 מציג נקודות חמות תרמיות בערימת 3D.

המושג המוכר "Known Good Die" מתפתח ל-"Known Good Stack", שבו כשל יחיד עלול לפגוע באמינות המערכת כולה. אינטראקציה "מולטיפיזיקלית" זו פירושה שתופעות פיזיקליות שונות משפיעות הן על ההיבטים הפיזיים והן על ההיבטים החשמליים של התכנון. ללא התייחסות קפדנית, השפעות אלה עלולות להוביל לבעיות Yield חמורות, או גרוע מכך – לבעיות אמינות בשטח. בין אלה נכללות בעיות מסורתיות כגון Electromigration ‏(EM), פרזיטים חשמליים (PEX), נפילת מתח (IR) ופריקה אלקטרוסטטית (ESD), שכעת מצטרפות אליהן אינטראקציות תרמיות ומכניות חדשות.

בעוד שכל אחת מהבעיות הללו בפני עצמה מוכרת ומובנת בדרך כלל, הגישות המסורתיות לתכנון ולאימות SoC אינן מספקות לעיתים קרובות ברמת ה-3D IC. הסיבה לכך היא שילובם של חומרים חדשים המתנהגים באופן שונה מהשילובים המסורתיים של סיליקון, זכוכית ונחושת הנמצאים ב-IC דו-ממדיים. מורכבות נוספת נובעת מכך שלא ניתן לבחון את ההשפעות הללו בנפרד; שינוי באחת מהן משפיע על האחרות ויוצר רשת מורכבת של תלות הדדית.

שיתוף פעולה ושפה משותפת: הבסיס לאינטגרציה אמינה

מעבר למורכבויות הטכניות, הצלחתם של פרויקטי 3D IC תלויה בשיתוף פעולה הדוק בין צוותים מגוונים – ובהם מתכנני שבבים, מהנדסי מארזים, שותפי Foundry וחברות Outsourced Semiconductor Assembly and Test ‏(OSAT). בעוד שהגנה על קניין רוחני קריטי ועל נתוני תהליך היא בעלת חשיבות עליונה, יצירת שפה משותפת ותהליכי תכנון בעלי יכולת פעולה הדדית חשובה לא פחות. אינטגרציה הדוקה יותר מאפשרת לצוותים רב-תחומיים לזהות סיכונים ולטפל בהם בשלב מוקדם של מחזור התכנון, ובכך למנוע תיקונים יקרים בשלב ה-Signoff.

איור 2 ממחיש את רשת הקשרים בתהליך התכנון והאימות של 3D IC.

בעבר, ניתוח מולטיפיזיקלי הסתמך לעיתים קרובות על מודלים מפושטים ברמת המארז, שבהם התייחסו לא פעם ל-Dies כאל יחידות הומוגניות או "לבנים". עם זאת, מחקרים עדכניים מראים כי הספק, חום ומאמץ מכני יכולים לשבש באופן משמעותי את ההתנהגות הצפויה ברמת ה-Die. הדבר מדגיש את הצורך הקריטי לשלב את מתכנני ה-Die בדיונים על קריטריונים מולטיפיזיקליים כבר מתחילת התהליך. הגמישות הגדולה ביותר בקבלת החלטות לגבי מיקום וחומרים קיימת בשלבים המוקדמים של מחזור התכנון, עובדה המדגישה את חשיבותה של תפיסת ה-Shift-Left.

Shift-Left ומולטיפיזיקה אוטומטית: תובנות מוקדמות יותר והאצה של סגירת התכנון

Shift-Left היא תפיסה כלל-תעשייתית הדוגלת בהקדמת הניתוח וקבלת ההחלטות לנקודה המוקדמת ביותר האפשרית בתהליך התכנון. עבור 3D IC, משמעות הדבר היא ביצוע מחקרי "What-if", סימולציה של הספק ומאמץ תרמי ואופטימיזציה של המיקום זמן רב לפני שהפתעות בשלבים מאוחרים מאיימות על זמן ההגעה לשוק (Time-to-Market). כלים מודרניים כגון Calibre 3DStress מאפשרים לבצע ניתוח מולטיפיזיקלי כבר מהשלבים המוקדמים ביותר של הגדרת ה-Chiplet, המארז וההתקן. ניתוח Shift-Left זה מאפשר לצוותים לזהות בעיות ולשפר את המיקום או את בחירת החומרים כאשר השינויים עדיין קלים וזולים יותר לביצוע.

Siemens Digital Industries Software ‏(Siemens EDA) נותנת מענה לדרישות אלה באמצעות אוטומציה משולבת של תהליכי העבודה. פתרון Calibre משלב ניתוח מפורט ברמת GDSII – הכולל חילוץ נתונים של מוליכים, תחמוצות וטרנזיסטורים – עם Simcenter Flotherm לביצוע סימולציות תרמיות מובילות בתעשייה. גישה זו מבטלת את הצורך שכל מתכנן יהיה מומחה בתחום התרמי או המכני. במקום זאת, תהליכים אוטומטיים מספקים תוצאות בלחיצת כפתור, המדגישות נקודות חמות, אזורי מאמץ והשפעות על התזמון בתוך פריסות וכלים מוכרים.

תהליכי עבודה מולטיפיזיקליים אוטומטיים אלה בנויים לקנה מידה וליעילות, ומאפשרים למתכננים לקבל תובנות מעמיקות בפשטות של לחיצת כפתור, בתוך סביבות הכלים ותהליכי העבודה הקיימים, מבלי לשבש את תהליכי העבודה הנוכחיים או להאט את התכנון.

תהליכים אלה מסייעים למתכנני IC להבין את ההשפעות ברמות המארז, ה-Chiplets והמערכת, מבלי שיידרשו להפוך למומחי מולטיפיזיקה. תובנות מוקדמות מעניקות לצוותים גמישות וביטחון רבים יותר בקביעת מיקום ההתקנים, היישור ובחירת החומרים, ובסופו של דבר מסייעות למנוע מצבי כשל או ירידה בביצועי המעגל. בנוסף, באמצעות שילוב הבנה מפורטת ברמת GDSII עם Simcenter Flotherm, תהליכים אלה מביאים בחשבון טמפרטורות תהליך אמיתיות, מבני שכבות חומרים ושלבי הרכבה, ומספקים תוצאות המשקפות במדויק את התנהגות ההתקן בפועל.

התאמת שרשרת הכלים למורכבות של 3D

ככל שאתגרי התכנון מתרבים, כך גדלות גם הדרישות משרשרת כלי התכנון. המתכננים עדיין נדרשים לבצע אימות דו-ממדי מסורתי – כולל Place-and-Route, בדיקות תזמון, Design Rule Checking ‏(DRC) ו-Layout-vs-Schematic ‏(LVS) – בנוסף לניתוחים חדשים עבור המארז המורכב.

הדור הראשון של כלי Calibre 3D התמקד באימות Signoff ובמיפוי של Chiplets רב-שכבתיים ורב-תהליכיים מיצרני Foundry שונים. מיפוי שכבות, זיהוי ממשקים והבנת החיבורים הפיזיים הם קריטיים למניעת שגיאות במרחב תלת-ממדי. תקנים מורחבים, כגון יוזמת 3Dblox של IEEE, מאפשרים כיום תהליכים חזקים ומשולבים אף יותר, התומכים ב-DRC, ‏LVS, ניתוח PERC, סימולציות תרמיות ובדיקות מאמץ. המטרה הכוללת ברורה: לספק נראות בכל שכבה ורכיב ולאפשר העברה חלקה של תוצאות הסימולציה מרמת ה-Die אל המצע (Substrate) והלוח.

מודלים מקיפים מסוגלים כיום ללכוד לא רק השפעות גלובליות כגון עיוותים (Warpage) ונקודות חמות תרמיות, אלא גם השפעות ברמת ההתקן, כגון אזורי מאמץ העלולים לשנות את ביצועי הטרנזיסטורים או להשפיע על סגירת התזמון (Timing Closure). משמעות הדבר היא שהמודל חורג מעיוותים פיזיים בלבד ומשפיע ישירות על התזמון ברמת ההתקן.

בנוסף, תקנים מורחבים ותהליכים משולבים מאפשרים להעביר תוצאות מניתוח ברמת ה-Die ועד לסימולציות של המארז והלוח, ובכך לספק נתונים והקשר עקביים לכל בעלי העניין ולשפר באופן משמעותי את שיתוף הפעולה בין הצוותים.

תהליך איטרטיבי זה הוא קריטי, משום שכל החום, ה-EM, ה-IR והעיוות המכני ישפיעו על הפרזיטים ואף על ההתנהגות החשמלית של טרנזיסטורים בודדים. השלמות החשמלית שזוהתה בתחילה כבר אינה נכונה, ולכן נדרשת איטרציה רציפה בין כל התופעות הפיזיקליות המקיימות ביניהן יחסי גומלין, כדי להגיע לחישוב מדויק של ההתנהגות החשמלית הסופית.

תאומים דיגיטליים, AI ועתיד ההצלחה של 3D IC

במבט קדימה, קריטריוני ה-Signoff עבור 3D IC יסתמכו יותר ויותר על מומחיות רב-תחומית – מכנית, תרמית, הספק ותזמון – שתוטמע כולה בתוך תהליכי עבודה נגישים ואוטומטיים. תפיסת התאום הדיגיטלי המקיף מאפשרת לצוותים להעביר תוצאות סימולציה ברמת ה-Die לאורך התכנון כולו, לתמוך באימות מולטיפיזיקלי קפדני ולשפר את האמינות.

כדי להתמודד עם עקומות הלמידה התלולות הכרוכות בטכנולוגיות מתקדמות אלה, Siemens EDA משקיעה בתוספות מבוססות AI ו-Agentic AI לפלטפורמות שלה. חידושים אלה נועדו לסייע למשתמשים להיכנס לעניינים במהירות. נבחנות שיטות של Machine Learning לצורך ניתוח חכם יותר, מחזורים מהירים יותר ושיפור השימושיות, באופן המאפשר למתכננים להתמקד בחדשנות במקום להתמודד עם המורכבות.

איור 4 ממחיש את תהליך העבודה המולטיפיזיקלי של Siemens EDA עבור 3D IC.

גישות חדשות לתכנון 3D IC כוללות פוטוניקה להעברת אותות יעילה, חומרי זכוכית וקרמיקה לשיפור החציצה התרמית ואף קירור נוזלי ברמת השבב. כל התפתחות חדשה מדגישה את החתירה הבלתי פוסקת של התעשייה לביצועים גבוהים יותר וליעילות רבה יותר, כאשר תהליכים אוטומטיים ומשולבים משמשים כתשתית חיונית להצלחת התכנון בעתיד.

תהליך איטרטיבי מתמשך זה, המתחיל כבר בתכנון Floorplan מוקדם – או אולי נכון יותר לכנותו "Multi-Level Planning" במקרה של 3D IC – מבטיח שגם כאשר כמות הנתונים הראשונית מוגבלת, המתכננים יכולים לקבל החלטות מושכלות. ככל שהתכנון מבשיל ומתקבלים מאפייני חומרים מדויקים יותר ומפות הספק מפורטות יותר, ניתן לבצע התאמות נוספות, כגון הוספת עמודי נחושת (Copper Pillars) לצמצום ההשפעות התרמיות או שינוי ה-Dummy Fill לשיפור המאמץ המכני. גישה פרואקטיבית ואיטרטיבית זו היא המפתח להשגת תכנוני 3D IC אמינים ובעלי Yield גבוה, עם התנהגות חשמלית אופטימלית.

העתיד של 3D IC מתחיל עכשיו עם Siemens

גלו מהר יותר את ארכיטקטורת המערכת האופטימלית באמצעות פתרונות Innovator3D IC. הפלטפורמה מקצה לקצה שלנו, המבוססת על AI, משנה את האופן שבו אתם מתכננים, מבצעים סימולציה ומאמתים תכנוני 3D IC חסונים, ומאפשרת לפרוץ את הגבולות רחוק יותר ומהר יותר.

למידע נוסף: 3D IC design solutions

המחברים

John Ferguson הוא מנהל ניהול המוצר עבור יישומי Calibre nmDRC ב-Siemens Digital Industries Software.

Sheltha Nolke היא מהנדסת מוצר בכירה ב-Siemens Digital Industries Software.

---

קרדיט תמונות: Siemens Digital Industries Software