前言
Chiplet多芯片系统将多个裸芯片集成在单个封装中,这对于系统架构的设计来说增加了新的维度和复杂性,多芯片系统的设计贯穿着系统级协同设计分析方法。
在系统定义和规划时,虚拟原型可以用来分析架构设计决策可能产生的影响,将系统的功能性和非功能性要求转化为系统的物理硬件属性,包括裸片的目标工艺、面积大小以及不同组成芯片的组装要求等。根据不同的解决方案,选择不同的chiplets和堆叠架构,进行早期的分析驱动的架构探索和优化迭代,包括电气可靠性、散热、良率分析、应力分析等等。从而可以基于目标系统的指标定义,确定系统的瓶颈所在——性能、功耗、存储容量/带宽、面积/体积、成本以及上市时间等,逐步建立和完善各类分析模型,使得整个系统最终定型。
芯和半导体的3DIC Compiler(以下简称“3DICC”)设计平台,全面支持chiplet多芯片系统2.5D/3D集成设计和仿真。本文介绍如何在3DICC设计平台实现基于虚拟原型实现多芯片架构探索。整个流程包含chiplets虚拟原型和顶层创建、布局堆叠规划、Bump/TSV设计规划、PG网络规划和系统早期EMIR&Thermal分析等。
案例介绍
图1
多芯片系统3D架构探索、布局、分析和迭代
1. Chiplets虚拟原型和顶层创建
创建chiplets虚拟原型,包含长宽尺寸和信号接口规划。
图 2
虚拟芯片原型创建
创建虚拟顶层网表,建立芯片间互连关系,包含多芯片系统的所有实例和互连,但不会产生用于生产制造的实际GDS。
图3
虚拟顶层网表创建
2. 布局堆叠规划
Chiplet多芯片系统架构和布局规划有诸多因素需要考量,如chiplets和IP选择、接口协议和类型、裸片是并排放置还是垂直堆叠等等,选择的确定取决于目标应用在功耗、性能、功能、成本和散热等方面的要求。
3DICC对于系统的架构布局支持多种芯片堆叠方式,如face-to-face、face-to-back等,在布局探索过程中,这些都可以从2D和3D的视图进行交互式设计,快捷直观。
图4
堆叠布局探索
3.Bump/TSV设计规划
在chiplets的架构探索和设计阶段,需要完成系统级Floorplan和各个层次的bump planning。
对于ubump、TSV、C4 bump的设计,3DICC支持多种规划方式,包括CSV、Excel表格以及图形界面阵列设计等,可以根据实际的设计条件和需求,选择适合的方式进行。例如:
Die1:已有Excel表格类型IO信息,导入文件自动创建。
图 5
导入excel格式的bump map
Die2:已有CSV格式IO信息,导入文件自动创建。
图6
FanOut设计顶层创建
Die3:只有IO信号列表,可以设定区域和pattern创建,也可以由工具基于信号接口关系自动分布创建。
图7
设定区域和pattern创建bump阵列
图8
工具自动分布创建bump阵列
4.PG网络规划和系统早期EMIR&Thermal分析
3DICC可以快速建立不同类型和pattern的PG网络,用于支持原型阶段的EMIR和Thermal建模分析。这些结果为PG网络、bump/TSV阵列、芯片热功耗、芯片堆叠方式等设计选择确定提供了必要的数据支持,推进架构探索设计迭代优化。
图9
PG网络实现
图10
EMIR&Thermal分析示例
总结
与单片系统相比,chiplet多芯片系统在架构定义阶段,必须通过功能架构、物理架构的协同假设和优化,从整个系统的角度进行设计和验证,问题越早发现,就越有可能做出有影响力的改变来优化整个系统。通常来说,有价值的设计数据通常要到设计流程的后期才能获得,而借助虚拟原型技术,开发者可以更好地掌控功耗和性能,同时仍可以在设计过程中做出修正和优化,从而规划出系统的理想蓝图。
3DIC Compiler提供的基于虚拟原型实现多芯片架构探索,对于多芯片系统的可行性、可优化性和可实现性等方面提供了有效且高效的功能支持。
审核编辑:汤梓红
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