3D IC设计中的信号完整性与电源完整性分析
对更高性能和更强功能的不懈追求，推动半导体行业经历了多个变革时代。最新的转变是从传统的单片SoC转向异构集成先进封装IC，包括3D IC。这项新兴技术有望助力半导体公司延续摩尔定律。
然而，这些进步也带来了日益复杂的挑战，尤其是在电源完整性（PI）和信号完整性（SI）方面。曾处于次要地位的SI/PI，如今已成为现代半导体开发中的关键学科。随着数据速率攀升至每秒数千兆比特，电源要求愈发严苛，误差裕量急剧缩小，使得SI/PI专业知识变得不可或缺。核心挑战在于确保信号在复杂系统中实现干净可靠的传输，以及稳定的电源配送。
本文将通过对比3D IC与传统SoC，阐释3D IC设计中独特的SI/PI挑战。随后，我们将探讨一种应对这些复杂性的渐进式验证策略，分析3D IC生态系统中各利益相关方的角色与相互依赖关系，并通过一个实际成功案例加以说明。最后，我们将讨论这些创新如何推动半导体设计的未来。
▲基础信号完整性问题
01传统SI/PI方法与3D IC方法对比
对于旨在用于PCB系统的传统SoC组件，SI和PI分析通常在系统集成之前验证单个组件。这种方法通常将SoC、封装和PCB视为独立实体，允许按顺序进行分析和优化。例如，可以在单片SoC及其封装上执行组件级电源需求分析，而信号完整性分析则验证单个通道。设计过程通常由不同的封装和PCB团队并行开展。这些团队最终协作管理设计权衡，例如在封装和PCB之间分配时序或电压裕量，以适应布线约束。虽然这种方法对传统设计有效，但这种分块式方法难以应对3D IC固有的复杂性。
3D IC的架构不仅仅是组件的集合，更是一个高度集成的微型子系统系统，其特点是多个芯片的垂直堆叠。芯片间接口、硅通孔（TSV）和微凸块创建了一个密集、高度互动的电气环境，其中电源完整性和信号完整性问题深度交织，并可能在多个层级间传播。芯片的紧密集成和邻近性引入了新的耦合机制和电源配送挑战，这些无法通过顺序、孤立的分析有效解决。因此，与传统流程不同，3D IC需要从一开始就进行整体、并行的验证，SI和PI分析需尽早启动并同时涵盖所有组成部分。
02渐进式验证：
应对3D IC复杂性的核心策略
为应对3D IC设计的复杂局面，采用渐进式验证策略至关重要。这一原则承认设计信息在早期阶段是稀疏的，并逐渐变得详细。渐进式验证的核心思想是尽可能早地利用可用输入开始分析，引导设计走上正确路径，并将最终验证步骤转变为对基本问题的确认，而非发现问题。
▲渐进式验证流程
随着细节的逐步完善，针对不同的分析需求进行处理，从最少的输入开始，逐渐纳入更具体的数据。让我们深入解析设计流程中涉及的关键分析阶段及其实施要点。
早期架构可行性及布局前分析
在初始设计阶段，详细的布局信息尚未获得，重点在于架构可行性研究。这包括估算功耗预算和定义高层接口。即使输入粗略，早期分析也可以开始。例如，布局前信号完整性分析可以对代表性的互连结构（如中介层桥接）进行建模。通过基于初步尺寸确定可实现性能的“范围”，设计人员可以为后续布局阶段建立现实的期望和指导方针。这种主动方法有助于识别潜在瓶颈，确保稳固的电气基础。
布局规划和实施驱动分析
随着设计进入布局规划和初始实施阶段，早期分析的指导方针被转化为物理布局。在此阶段，可以进行更深入的分析。这包括详细的电源配送网络（PDN）分析，以验证跨堆叠芯片和基板的电源分配。带有实际组件互连的信号路径验证也可以开始，从而能够早期识别和优化关键信号路由。这种布局和分析的迭代过程允许持续优化，确保物理实施符合电气性能目标。
基于供应商特定IP的详细电气分析
渐进式验证的最后阶段涉及利用实际的供应商特定知识产权（IP）模型进行全面的电气分析。鉴于3D IC芯片间标准（如UCIe、BoW、AIB）尚处于发展初期，不如DDR或PCIe等成熟协议完善，这种详细分析更为关键。设计人员对阻抗网络进行深入的S参数建模，并将从芯片设计人员等利益相关方获得的高精度电流值馈入这些模型。这种精细化的分析为设计的电气性能提供了完整的闭环，确保所有关键信号路径和电源配送机制在真实工作条件下满足规范。
033D IC生态系统：协同制胜的关键
3D IC设计的复杂性需要一个高度协作的环境，涉及具有独特视角和挑战的多样化利益相关方。这些团队之间的有效沟通和早期参与对于成功集成至关重要。
1系统架构师
负责高层布局规划，确定小芯片（Chiplet）数量、基带芯片以及它们之间所需的通信通道。他们的挑战在于优化整体系统架构的性能、功耗和面积，同时考虑3D集成带来的物理约束。
2芯片设计人员
专注于单个芯片架构，并负责I/O规划和内部电源分配。他们必须准确传达其电源需求和I/O特性，以确保堆叠系统内的兼容性。
3布局团队
负责物理实施，包括芯片级布局、基板布局以及任何硅互连（例如中介层和桥接）。通常，不同的布局团队可能处理实施的不同方面，需要细致的协调。
4SI/PI和验证团队
充当技术顾问，在各个层级提供指导方针和反馈。他们的角色是在整个设计周期中主动识别和缓解潜在的SI/PI问题。
5机械和热管理团队
分别确保结构完整性和管理散热。两者对于设计的长期可靠性和性能都至关重要。
通过采用渐进式验证方法，这些不同的利益相关方可以进行早期和持续的沟通，培养协作环境，从而显著简化功能可靠3D IC设计的构建过程。
04成功实践：Chipletz的概念验证
渐进式验证策略和协作生态系统的有效性最好通过实际应用来证明。开创性的无晶圆厂基板初创公司Chipletz通过与EDA供应商的战略性合作，成功应对了3D IC设计的复杂性，堪称典范。
▲Chipletz Smart Substrate
Chipletz选择西门子作为其Smart Substrate产品的战略EDA供应商，特别寻求能够支持先进3D IC设计需求的工具。当时，许多行业标准EDA工具主要针对传统封装和PCB架构。Chipletz提出了一个艰巨的挑战：他们的设计具有庞大的布局规划，引脚数量高达5000万，要求分析工具具有前所未有的容量，以及能够处理如此复杂结构的布局工具。
西门子通过调动其研发团队来增强工具容量和能力作为回应。此次合作不仅证明了处理这些复杂架构的能力，还证明了在此类大型设计上执行有意义的电气分析的能力。最初的努力集中在基本方面，例如跨基板的直流（DC）IR压降分析和早期PDN分析。通过这些基础步骤，西门子展示了其工具的能力和合作承诺。这种合作伙伴关系使Chipletz成功完成了其初始演示载具的流片，并且他们现在正推进到设计的第二个修订版本。这一成功突显了适应性强的EDA工具和强大的供应商-客户合作在推动3D IC创新边界方面的重要性。
05展望未来：3D IC驱动创新
3D IC无疑将继续存在，主要半导体公司正越来越多地将各种形式的3D封装纳入其产品路线图。这一转变标志着行业在如何处理系统设计和集成方面发生了根本性变化。
渐进式验证策略，加上不同利益相关方之间的紧密合作，为应对3D IC设计固有的复杂挑战提供了一个稳健的框架。掌握这些技术的公司和个人将处于非常有利的位置，加速下一波半导体创新，创造出高性能、高能效的系统，为我们日益数字化的世界提供动力。
西门子通过其丰富的产品组合和与Chipletz等客户的协作伙伴关系，积极帮助客户在成功的3D IC设计中把握趋势，共同推动半导体产业的未来演进。