2.5D/3D IC電源完整性挑戰(zhàn)：mPower工具的多物理場(chǎng)協(xié)同分析方案
一、引言
隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)入7nm/5nm之后，2.5D/3D IC憑借先進(jìn)封裝（Interposer、TSV）實(shí)現(xiàn)Die - to - Die互連，成為后摩爾時(shí)代提升系統(tǒng)效能、縮小芯片面積并整合不同功能的核心驅(qū)動(dòng)力。然而，2.5D/3D IC的電源完整性面臨諸多挑戰(zhàn)，如高功耗、散熱問題以及熱應(yīng)力形變等。在此背景下，mPower工具憑借其多物理場(chǎng)協(xié)同分析能力，為解決這些問題提供了有效方案。
二、2.5D/3D IC電源完整性挑戰(zhàn)
（一）高功耗與散熱難題
2.5D/3D IC的典型功耗可能高達(dá)300W，在實(shí)際工作過程中，高功耗引發(fā)嚴(yán)重的散熱問題。例如，當(dāng)多個(gè)芯片通過TSV在高度方向上互連時(shí)，芯片堆疊產(chǎn)生的熱量難以有效散發(fā)，可能導(dǎo)致芯片性能下降甚至損壞。
（二）電源網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性
2.5D/3D IC中的中介層包含數(shù)十個(gè)芯片或小芯片，具有數(shù)百萬個(gè)連接，電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電源完整性分析需要確保電源網(wǎng)絡(luò)能夠向器件提供按設(shè)計(jì)運(yùn)行所需的電流，并避免導(dǎo)線因電遷移而過早失效。
三、mPower工具的多物理場(chǎng)協(xié)同分析方案
（一）多物理場(chǎng)耦合建模
mPower工具將模擬和數(shù)字EM、IR壓降及功耗分析整合為一個(gè)完整、可擴(kuò)展的解決方案。它考慮了電、熱、結(jié)構(gòu)等多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用。例如，在熱 - 電耦合分析中，通過建立熱傳導(dǎo)模型和電路模型，模擬芯片在不同工作溫度下的功耗變化。以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的熱 - 電耦合分析Python代碼示例：
python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 模擬芯片的電阻和熱阻
R = 10 # 電阻，單位：歐姆
Rth = 0.1 # 熱阻，單位：K/W
# 模擬不同功耗下的溫度變化
power = np.linspace(0, 100, 100) # 功耗，單位：瓦特
temperature = power * Rth # 溫度，單位：攝氏度
# 模擬功耗與電流的關(guān)系
current = power / R # 電流，單位：安培
plt.figure()
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(power, temperature)
plt.xlabel('Power (W)')
plt.ylabel('Temperature (°C)')
plt.title('Power - Temperature Relationship')
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(power, current)
plt.xlabel('Power (W)')
plt.ylabel('Current (A)')
plt.title('Power - Current Relationship')
plt.tight_layout()
plt.show()
該代碼模擬了芯片功耗與溫度、電流的關(guān)系，展示了熱 - 電耦合的基本原理。
（二）高效電源完整性分析
mPower工具支持從RTL/門級(jí)到芯片級(jí)集成，直到封裝和電路板系統(tǒng)級(jí)的模擬和數(shù)字電源完整性分析。它采用全新設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展至異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以更佳周轉(zhuǎn)時(shí)間和最低成本提供高精度的結(jié)果。例如，對(duì)于大型模擬電路的EM/IR分析，mPower能夠提供詳細(xì)的仿真結(jié)果，幫助設(shè)計(jì)人員識(shí)別和修復(fù)電壓不足等電源問題。
（三）與其他工具的協(xié)同
mPower工具可以與其他EDA工具協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)從芯片設(shè)計(jì)到封裝和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的無縫銜接。通過與芯片設(shè)計(jì)公司、EDA工具供應(yīng)商、代工廠和封裝公司的合作，確保各方之間的信息流通，提高設(shè)計(jì)的整體效率和可靠性。
四、結(jié)論
2.5D/3D IC的電源完整性挑戰(zhàn)需要綜合考慮多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用。mPower工具通過其多物理場(chǎng)協(xié)同分析方案，為解決這些挑戰(zhàn)提供了有效的途徑。通過熱 - 電耦合分析、高效電源完整性分析以及與其他工具的協(xié)同，mPower工具能夠幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，確保2.5D/3D IC的電源完整性和可靠性，推動(dòng)后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。
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