如何轻松搞定高性能Multi-Die系统？

 

2D芯片设计中通常为二阶或三阶的效应，在Multi-Die系统中升级为主要效应。考虑到此类复杂架构中存在许多相互依赖关系，上述现象并不奇怪。例如，一个裸片的散热可能会影响其旁边组件乃至整个系统的性能。此外，由于散热变得更加困难，3D设计中的热和功率传输问题会更加严重。类似地，来自一个小芯片的信号完整性问题（串扰和电磁干扰等）可能会影响整个系统。诸如此类的大量多物理场效应会妨碍Multi-Die系统的性能。

从单片式SoC转变到Multi-Die系统，需要考虑许多新的因素。在Multi-Die这个新领域，开发者无法将封装或单个裸片在整个系统中分开看待。为了获得理想的系统并加速流程收敛，从技术到裸片和封装，都必须着眼于整个系统，而且要在紧密集成的多目标分析的指导下进行协同优化。我们将这种密切配合的方法称为系统技术协同优化（STCO）。

STCO最好从构思系统之初就开始进行。从可行性研究和架构规划，到实现和签核，将多物理场效应考虑在内的裸片/封装全面协同设计方法对于设计成功至关重要。我们将在下文中进一步介绍协同设计和协同优化的重要性。

 

多个裸片的集成会形成相互依赖关系

为了满足高性能计算（HPC）和人工智能（AI）等工作负载密集型应用对性能、功耗和面积（PPA）的要求，市场对Multi-Die系统的需求日益增长。Multi-Die系统在单个封装中集成了多个包含不同类型电路的裸片，这是一种加速系统功能扩展的有效方法。有了关键性能指标（KPI），开发者就可以相应地规划具体的系统和组件。

单片式SoC中虽然也存在多物理场效应，但通常可以预先建模和分析，并通过设计调整来解决。而对于Multi-Die系统，这些效应不加以解决的话，会对整个系统造成更大的损害。

例如：

由于众多裸片通过Die-to-Die接口相互通信，系统变得更容易受到电磁干扰（EMI）和串扰等信号完整性问题的影响

散热问题上升为最主要的问题，因为系统中的所有裸片以及它们之间的互连都可能会积聚热量，从而影响系统的性能和/或时序

系统配电网络一方面要减轻EMI等影响，另一方面要提供整个芯片系统所需的电力，因此其鲁棒性至关重要

芯片制造、组装和封装产生的机械应力会影响系统的电气性能

系统各个裸片的工艺变化会影响系统性能

为了解决这些效应和影响，开发者必须在Multi-Die系统的背景下进行系统分析，检查所有物理方面和相互作用，以验证和优化系统。从电气和热效应到结构力学，多种属性必须一起进行仿真，以识别系统层面的电源和信号完整性影响。为此，需要用到统一的STCO解决方案，以提供全面的设计收敛，使每立方毫米的PPA达到最优水平。

 

尽早了解设计权衡

STCO开始于开发者设计规划架构之初。在团队确定系统的组件以及应当如何对所有组件进行分区时，团队需要能够进行假设分析以了解设计权衡。当转向实现时，架构的粒度越细，设计收敛到签核的过程就越顺利。在早期设计阶段，可获得的信息有限；但是，系统原型设计有助于回答以下几个问题：需要多少个裸片？裸片应该如何堆叠？系统中新旧节点混用有哪些利弊？配电网络应该如何设计？可能会出现什么样的散热问题？当团队得到一个满足要求的架构时，便可从可行性研究中获取输出，并转入系统规划和原型构建。

新思科技Multi-Die系统解决方案为实现快速的2.5D和3D异构集成提供了一个综合平台以支持STCO方法，帮助回答上述的假设分析问题。该解决方案通过以下两个关键组成部分解决多物理场效应：

新思科技3DIC Compiler Multi-Die/封装协同设计和协同优化平台，提供建模功能和相关数据点，可指导开发系统版图规划以实现目标PPA。3DIC Compiler基于新思科技数字设计系列的Fusion标准单数据模型构建，提供一个完整的架构到签核平台。

设计分析和签核技术，解决静态时序、信号完整性、电源完整性、散热、寄生效应和电迁移/IR压降问题。3DIC Compiler和新思科技签核解决方案与Ansys RedHawk-SC电热多物理场技术相集成，为2.5D/3D Multi-Die系统提供多物理场电源完整性、信号完整性、热完整性和机械应力仿真与分析。

由于Multi-Die系统解决方案的各组成部分紧密集成，开发者可以及早发现并解决问题，实现更高的良率。不同的工具可以用于各个方面的分析，但如果这些工具衔接得不好，就可能会错过重要的“危险信号”，导致开发者可能不得不在接近流片时才发现问题，此时再解决问题所花费的成本要高得多。新思科技不断评估新出现的Multi-Die系统效应，并相应地增强旗下的解决方案。

 

总结

在Multi-Die系统中，开发者必须从系统的角度解决多物理场效应，设计和优化过程要考虑所有相互依赖关系。通过运用系统技术协同优化方法，并结合集成的可扩展协同设计、分析和签核解决方案，开发者将能够更高效地实现Multi-Die系统的PPA目标。

 

 

         

 

审核编辑：刘清