減少IC之間互連的長度可能會給移動系統(tǒng)應用的性能、功率和封裝尺寸帶來一種巨大的飛躍，主要動力就是3D IC。將一只移動處理器芯片與獨立的存儲芯片結合到一起，這是一種自然發(fā)展出來的3D結構。例如，三星電子公司推出了一款3D IC，該公司將一只存儲芯片堆疊在硅片芯上，兩者間采用了（垂直的）TSV（硅通孔）金屬化孔，在芯片的頂部和底部都建立了連接（圖1）。TSV技術能夠實現(xiàn)一種廣泛的I/O存儲接口，較其它方案的功率降低多達75%，因為其互連與I/O電路的負載電容較小。

Tezzaron半導體公司專業(yè)從事存儲器產(chǎn)品、3D晶圓工藝以及TSV工藝，它采用一種晶圓打線技術，在三個層面上堆疊芯片，該技術采用類似于US Mint的銅超級觸點，用銅鎳合金工藝制作波片。Tezzaron的Super-8051帶堆疊存儲的微控制器比普通8051微控制器的耗電低90%，因為它沒有片外I/O。不過，制造商不能在打線以前做晶圓探測，因為探測會造成缺陷。

為了緩解3D堆疊IC的挑戰(zhàn)，很多公司都在采用一種中間方式，即2.5D，用一種無源的硅中介層來連接各個片芯（圖2）。包括Mentor Graphics公司首席執(zhí)行官Walden Rhinies在內(nèi)的很多業(yè)內(nèi)人士都將2.5D方案看成是到達3D IC的一個緩慢上升的遷移路徑。Rhines相信，2.5D方案的時間要比很多人的預期更長久，因為這種方案更多是演化，而不是革命。

Xilinx公司也在自己新的2.5D SSI（堆疊硅互連）FPGA中采用了這種方法，包括Virtex-7 XC7V2000T，它集成了四個FPGA片芯，相當于200萬個邏輯門、46512 kbit的塊狀RAM、2160個DSP片，以及36個10.3125 Gbps的Xilinx GTX（千兆位收發(fā)器擴展）收發(fā)器（圖3）。Xilinx在一個無源硅中介層上堆疊這些片芯，從而能夠在FPGA之間做出1萬多個互連。Xilinx公司首席技術官Ivo Bolsens表示：“SSI較其它方案在每瓦I/O帶寬性能上提高了兩個以上數(shù)量級，這再次說明了2.5D與3D在功耗與性能方面的差異?！?/p>

對于支持新3D IC項目的EDA工具的選擇，可能會使實現(xiàn)設計的方式產(chǎn)生差別。盡管可以采用現(xiàn)有的2D IC工具，但如果增加一些應對3D設計挑戰(zhàn)的技術還是有好處的。大多數(shù)主要EDA供應商都對3D IC采用一種謹慎的觀望態(tài)度，不到最終不會給自己的2D工具增加功能。同時，很多較小的EDA供應商則正在建立面向3D設計的工具。例如，Tezzaron的3D PDK（工藝設計套件）就包含了新的以及已有的工具，能幫助將設計方法轉向3D。

1　TSV的不足

Synopsys公司實現(xiàn)平臺的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Marco Casale-Rossi認為，3D IC的EDA工具開發(fā)必須起始于TCAD，用于建立TSV物理特性的模型。該公司的硅工程部已經(jīng)與多家選定的合作伙伴做了這一工作。設計人員必須解決一個問題，即TSV會給靠近過孔開口處的有源硅區(qū)帶來應力，這可能干擾電路的工作。在28nm工藝尺度時，“隔離區(qū)”（keep-out zone，即環(huán)繞一個TSV的區(qū)域，其中不能插入有源電路）可能要占據(jù)相當于約5000只晶體管的面積。Casale-Rossi稱，如果在一只芯片上布放很多有相應隔離區(qū)的TSV，則片芯上會產(chǎn)生大量不可用的區(qū)域。Synopsys最近申請了一項解決TSV所產(chǎn)生應力的技術專利。該技術已不是TCAD軟件，而是IP（智能產(chǎn)權），Casale-Rossi預測它將有助于減輕3D IC制造中的應力。該公司還申請了RLC建模（電阻/電容/電感）以及3D IC提取的專利應用。

Synopsys 3D IC物理實現(xiàn)工具的開發(fā)基礎是其2D的布局與布線工具。Synopsys正在開發(fā)一種2.5D的設計工具，用于通過一個硅中介層連接多只用微凸塊的倒裝芯片。一個新出現(xiàn)的3D IC設計流將能在現(xiàn)有流程的每個階段（從數(shù)字設計的綜合與布局布線，到提取、物理驗證以及時序簽核）做到TSV感知（圖4）。

2 增加平面規(guī)劃級

由于現(xiàn)有EDA工具都不支持TSV的自動化布局與布線，因此必須用當前做2D IC設計的工具，手動地增加工具。據(jù)Cadence研究員Dave Noice稱，要修改2D工具與設計數(shù)據(jù)庫使之支持3D IC概念，會遇到很多挑戰(zhàn)。例如，在2D設計中，第一個金屬層（或叫metal-1）代表著一片IC上最低的互連層，但3D IC改變了這種布局，它增加了通過TSV做連接的背面金屬層。

過去，設計者能夠用Cadence的Encounter數(shù)字實現(xiàn)工具，自動地為倒裝芯片布線，在凸塊管腳與I/O處做45°的走線。Cadence還增強了該功能，能支持同時在片芯的頂面和底面的I/O走線。在平面規(guī)劃與布局階段給一只芯片增加了TSV以后，下一個挑戰(zhàn)將是連接分配。布線工具必須能夠分配連接，并優(yōu)化通過TSV連接到背面凸塊的線長。Noice表示，有些用戶錯誤地認為布線器可以布放TSV，其實設計者只能用布線器做連接。在一個堆疊片芯的結構中，設計者的靈活性限制了平面規(guī)劃，無論是為一只新ASIC增加TSV，還是為采用某種3D封裝而修改設計。

對于3D IC設計，Cadence的平面規(guī)劃工具將這一問題看作一種普通的層次式2D設計。該工具會將每只片芯看作一個獨立的子塊。例如，如果用一個確定制造工藝來堆疊存儲片芯，則片芯“所有者”可以看到用于設計優(yōu)化的垂直連接界面，但只能編輯自己一側的TSV堆。

Magma設計自動化公司正在擴展自己的Hydra平面規(guī)劃工具，它將一只3D芯片看成一組2D塊去作物理實現(xiàn)，從而實現(xiàn)3D設計的自動化。據(jù)Magma公司首席技術師Patrick Groeneveld稱，將一個3D設計劃分為2D部件會導致一系列新問題，如設計分區(qū)、TSV分配、跨片芯的接口、電源與地的分布，以及相應的IR降與溫度分析等。

3 定制工具

一家私有EDA公司Micro Magic的銷售與營銷經(jīng)理Mark Mangum認為，3D IC設計工具的市場一直過于狹小，無法吸引大型EDA公司的投入。該公司過去四年來從其開發(fā)合作伙伴獲得了3D設計專利，一直在做Max-3D布局工具（參考文獻5）。Mangum稱，普通的布局工具無法處理用于2D設計的傳統(tǒng)方案，即將所有獨立的數(shù)據(jù)組織成為一個大文件。而Max-3D則能夠在每個晶圓級上維護技術文件，并有一個用于TSV互連的獨立文件（圖5）。處理器與存儲器設計者的工程團隊（在3D IC項目中很常見）就可以分別做3D堆疊中自己的一部分，然后再做最終集成。

在3D IC數(shù)據(jù)庫組裝以后，必須驗證自己的設計，方法是追蹤TSV在整個堆疊上的連接，并做完整的DRC（設計規(guī)則檢查）與LVS（布局與邏輯圖對照）檢查。有時必須采用2D的物理驗證工具，但Max-3D通過與Mentor Graphics的Calibre DRC與LVS工具的整合，消除了這個過程。Micro Magic還與Magma合作，將Magma的Quartz LVS與DRC工具整合到Max-3D中。Magma公司的Groeneveld稱，Quartz的未來改進將使用戶能夠直接采用多種工藝描述，這對3D IC是必需的。采用Quartz LVS，一次運行就可以檢查每只2D芯片，以及它們之間的3D互連（圖6）。要在一個3D技術文件中，指定層數(shù)與順序、互連材料，以及其它物理參數(shù)。然后，對3D IC的連接做一個TSV感知的提取。用Quartz中的調(diào)試環(huán)境，分析任何LVS的失配問題。

Magma計劃與顧客和制造商合作，為Quartz增加3D DRC功能，定義TSV驗證設計所必需的規(guī)則、設計以及庫信息。Groeneveld稱，Magma還在做幾個其它的3D IC項目，如新增功能使用戶能夠使用內(nèi)置Quartz DRC與LVS檢查的Titan定制IC布局編輯器，一次對多只片芯做虛擬化和編輯。

Micro Magic的Mangum表示，設計者通常不愿意去轉換工具，或改變自己的2D流程，因此，如果可以將一個普通IC布局工具用于自己的3D設計，他們就會這么做。然而，在某些時候，普通工具無法應付處理所需數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。該公司已對多達1萬億晶體管的設計驗證了Max-3D，設計者也已用該工具開發(fā)了數(shù)據(jù)庫多達60GB~80GB的設計。Max-3D會在數(shù)據(jù)變得非常大時，接管3D設計工作，從而成為常見2D IC布局工具，如Cadence的Virtuoso的補充。Micro Magic公司提供對Si2（硅集成行動組織）OpenAccess聯(lián)盟OpenAccess數(shù)據(jù)庫格式的全面支持，以協(xié)助設計流程的整合與互操作，這一數(shù)據(jù)庫格式的目的是提供互操作性，包括通過一種開放標準的數(shù)據(jù)API（應用編程接口）以及在IC設計中支持該API的參考數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)IC設計工具之間的統(tǒng)一性數(shù)據(jù)交換。

4 3D分區(qū)的設計工具

現(xiàn)在，制造商們提供用于3D IC早期規(guī)劃和分區(qū)的工具。例如，Atrenta公司在SpyGlass-Physical Advanced工具中提供RTL（寄存器傳輸級）原型技術，用于3D IC的早期規(guī)劃與分區(qū)。2D的Atrenta SpyGlass工具使設計者能夠在設計周期的前期就開始做物理實現(xiàn)的可行性分析，此時RTL可能還未完成?？梢杂盟鼘Χ鄠€平面規(guī)劃配置做虛擬化與評估，分析實現(xiàn)的可行性，選擇適當?shù)墓鐸P，創(chuàng)建物理分區(qū)，以及生成針對IP和SoC（系統(tǒng)單芯片）實現(xiàn)的實現(xiàn)指導（圖7）。

對于3D IC，Atrenta與曾經(jīng)的Javelin Design Automation公司做了較早的嘗試（與IMEC和高通共同完成）。Atrenta最近揭幕了一處R&D設施，主要專注于3D技術以及先進節(jié)能技術的開發(fā)。當IMEC與Javelin開始與高通合作3D IC工作時，首要的挑戰(zhàn)是必須能夠在系統(tǒng)級了解一個設計。IMEC首席科學家Pol Marchal表示：“我們必須找到一種能跨多級對設計分區(qū)的方式，并了解TSV對整個設計的影響，這樣我們才能做一些早期的平面規(guī)劃。”他說，IMEC能夠很容易地將Atrenta的SpyGlass轉而用于3D設計。

Atrenta公司研究員Ravi Varadarajan說，為探索與優(yōu)化3D設計，你需要一種能了解堆疊片芯結構以及工藝技術的工具。在設計過程開始時（Atrenta把它叫做邏輯探路），必須要獲得設計者的意圖。Atrenta將每個片芯看成一個統(tǒng)一的2D分區(qū)，所有工作均基于OpenAccess API與數(shù)據(jù)庫格式。

Atrenta還與IMEC在一個alpha項目上展開合作，該項目將使設計者能夠將平面規(guī)劃的結果送入一個熱仿真引擎。現(xiàn)有3D IC的熱分析商業(yè)工具有Gradient公司的HeatWave等。IMEC正在開發(fā)自己的工具，從而能夠使用從測試設備獲得的測量數(shù)據(jù)，方便地校正熱分析模型。IMEC還開發(fā)了自己的工具，與Atrenta的工具一起做機械應力分析，Marchal認同Synopsys關于在3D設計早期評估應力效果的重要性。

新興的Monolithic 3D公司主要工作是針對3D IC的開發(fā)工具與制造技術。該公司正在做用于2D和3D IC的3DSim系統(tǒng)級設計規(guī)劃仿真器。它可處理各種輸入，如晶體管參數(shù)、互連材料、3D堆疊層的數(shù)量，以及封裝等，開發(fā)出單根導線、邏輯門、電源分布、散熱以及時鐘分配等模型。也可以用3DSim研究對3D IC的設計折中。Monolithic公司提供開源Java的工具，可以在該公司網(wǎng)站上直接運行。

5 測試3D堆疊

測試問題是3D堆疊片芯的另外一個挑戰(zhàn)。Mentor Graphics硅測試產(chǎn)品的營銷總監(jiān)Stephen Pateras稱，該公司正在應對這一挑戰(zhàn)，并認為在3D IC的測試中有三大問題：確認好片芯，在封裝堆疊中后為需重測片芯提供通道，以及為封裝內(nèi)做片芯間互連的TSV提供通道?？紤]到實用中做晶圓級徹底測試的成本與復雜性，單芯片封裝內(nèi)的某些元件將不可避免地無法滿足規(guī)格要求。產(chǎn)量損失會成為產(chǎn)品工程師成本方程的組成部分，他們必須決定ROI（投資回報）是否足以支撐對已封裝片芯測試的額外成本。對于3D IC，這些挑戰(zhàn)改變了測試的經(jīng)濟性，因為一只片芯的失效就意味著必須廢棄那些好的片芯。

Mentor Graphics公司的Tessent硅測試平臺提供針對一只片芯中所有部件的嵌入式BIST（內(nèi)置自檢）的工具，包括邏輯、存儲器以及混合信號與高速I/O。采用BIST方案可免除對通道的擔憂，而采用一個低速的JTAG（聯(lián)合測試工作小組）IEEE-1149.1端口。

IEEE標準1149.1-1990定義了IC中用于輔助測試、維護以及已組裝PCB（印刷電路板）的內(nèi)置電路。該電路有一個標準化接口，系統(tǒng)通過該接口傳送指令與測試數(shù)據(jù)。它定義了一組測試功能，包括一個邊界掃描寄存器，這樣元件就可以響應一個最小的指令集，輔助對已組裝PCB的測試。

采用BIST和ATPG（自動測試模式生成），就可以對一只芯片中的各個塊，同時做分層的實際測試。這種方案并不新鮮，但對3D IC是一個關鍵，因為一個堆疊芯片內(nèi)的中間片芯沒有與外部的連接。因此，就不能連接掃描測試的輸入與輸出。這一約束給3D設計帶來了新的需求：必須使用所謂的測試電梯，重新布放到TSV的測試通道。IMEC已向IEEE提交了這個架構，作為1149.1規(guī)范的一個擴充。采用測試電梯結構，就必須在整個片芯堆疊中，包含將3D連接轉換為測試模式的走線與邏輯。設計要求改變了，因為這種方案意味著一個堆疊中的菊鏈式測試邏輯。使用測試電梯時，可以在一個片芯上使用多工器，傳送來自其它片芯的測試模式。另外，你可能還需要結合來自多個片芯的測試模式。Mentor Graphics的Tessent工具有新的3D功能，能夠插入測試電梯，以及可能需要重新確定原本用于一只片芯的測試序列的邏輯，允許通過一個TSV發(fā)送各個模式做重新測試。

Pateras說，Tessent對待3D片芯堆疊問題的方式是類似于在單只片芯中的2D層次式測試。層次式測試可單獨地處理一個片芯中的每個塊，然后在頂層重新排列模式的順序。可以采用“灰盒子”測試技術，即了解設計測試用例的內(nèi)部數(shù)據(jù)結構以及算法。這種方案可以用于多片芯情況（而不是一只片芯中的多個IP塊），因此現(xiàn)在一個Verilog網(wǎng)表就能覆蓋全部封裝。

設計者可以采用Tessent的MBIST（存儲器BIST）控制器，對任意數(shù)量的存儲片芯以及連接它們的總線做完整的測試（圖8）。該公司的3D功能能夠在一只邏輯芯片上集成MBIST電路（獨立于DRAM片芯）?？梢允褂霉蚕砜偩€功能，支持多個存儲片芯，并使用后硅片的可編程能力，支持設計變更。這種方案能夠針對不同應用，在一個邏輯芯片上支持堆疊存儲器的變動，以及當存儲器大小與性能規(guī)格發(fā)生變化時，支持對測試要求的修改。另外，還可以測試一個通過TSV與其它片芯邏輯相連接的片芯。這個功能同時提供了水平2D和垂直3D的掃描插入方法。

IMEC的3D IC首席科學家Erik Jan Marinissen稱，3D IC的測試必須解決三大類挑戰(zhàn)。

首先，必須確定需要測試什么，以及在制造周期中何時何地做這種測試。

接下來必須解決的問題是有關3D處理步驟以及TSV互連可能會造成的新缺陷。

第三大挑戰(zhàn)是測試通道問題。

IMEC對3D IC可測試性工具的工作包括與Cadence的合作，IMEC與Cadence在發(fā)布新聞時曾計劃在2011年設計自動化大會上做演示，大會預定在圣地亞哥舉辦。Marinissen也是IEEE標準委員會P1838項目的工作小組組長，P1838項目是：關于三維堆疊集成電路的測試通道架構的標準。在一份有關3D IC設計挑戰(zhàn)的白皮書中，Cadence表示，需要更多的經(jīng)驗性數(shù)據(jù)，才能確定對新缺陷模型的需求。雖然2D IC缺陷（如開路、短路、靜電、延遲以及橋接缺陷）可能也適用于3D IC，但3D技術需要一種新的方法，將TSV缺陷映射到已知缺陷類型上。為滿足3D可控制性以及可觀測性目標，Cadence還指出，跨多片芯的DFT（可測試性設計）資源的智能分配非常關鍵。