Trong làn sóng đổi mới công nghệ, lĩnh vực thiết kế mạch tích hợp đã mở ra một cách suy nghĩ mang tính cách mạng.Các khái niệm như IC khối (IC khối), diện tích chuyển đẳng hướng (ITA), không gian litus (LITS) và khối lượng chức năng hiệu quả (EFV), lần đầu tiên được đề cập vào ngày 7 tháng 8 năm 2021, dường như khá tiến bộ vào thời điểm đó.Nhưng khi thời gian trôi qua, những ý tưởng đã từng được coi là huyền ảo đã dần dần tìm thấy một chỗ đứng trong thế giới thực.Giống như luật của Moore là không thể tin được khi nó được đề xuất lần đầu tiên, giờ đây chúng ta có thể tích hợp hơn 100 triệu bóng bán dẫn trên các chip nhỏ dưới một milimet vuông.Hôm nay, hai năm sau, tôi vẫn tin rằng những ý tưởng sáng tạo này đáng để khám phá một lần nữa và giới thiệu chúng cho độc giả.
1. Đổi mới thiết kế mạch tích hợp từ góc độ ba chiều
Trong thiết kế mạch tích hợp quy mô lớn (IC) truyền thống, các nhà thiết kế thường tích hợp toàn bộ hệ thống điện tử trên một chip duy nhất, bao gồm bộ vi xử lý, lõi IP tương tự, lõi IP kỹ thuật số và bộ nhớ hoặc giao diện điều khiển ngoài chip.Quá trình này dựa trên công nghệ tích hợp hai chiều, trong đó tất cả các đơn vị chức năng bóng bán dẫn được đặt trên cùng một mặt phẳng.
Tuy nhiên, khi độ phức tạp của hệ thống tiếp tục tăng, sự gia tăng diện tích chip đã trở thành một vấn đề không thể tránh khỏi, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất chip.Ngoài ra, khi tiến bộ công nghệ tiếp cận các giới hạn vật lý, ranh giới của luật của Moore đang ngày càng trở nên rõ ràng.Kết quả là, mọi người bắt đầu tìm kiếm các giải pháp mới, chẳng hạn như gói-gói (SIP) và công nghệ đóng gói tiên tiến, chipset (chiplet) và công nghệ tích hợp không đồng nhất, v.v., đã trở thành chìa khóa cho việc tiếp tục luật của Moore.
Trong bối cảnh này, chúng tôi đã đề xuất một ý tưởng sáng tạo: thiết kế các mạch tích hợp từ góc độ ba chiều.Ví dụ, lấy thiết kế của một hệ thống trên một chip (SOC), chúng tôi không còn thiết kế tất cả các thành phần trên cùng một mặt phẳng wafer, mà là phân phối chúng ở các cấp độ khác nhau (Storey) và kết hợp các mức này để tạo thành một chip hoàn chỉnhhệ thống.Như thể hiện trong hình dưới đây, mỗi tầng có một lớp bóng bán dẫn và được kết nối với nhau thông qua hệ thống dây đa lớp.Các tầng khác nhau chủ yếu được kết nối với nhau thông qua các lớp silicon (TSV) và các lớp phân phối lại (RDL).
Phương pháp thiết kế này có nghĩa là các tầng khác nhau có thể được sản xuất bằng các nút quy trình khác nhau, trong khi các bóng bán dẫn ở cùng cấp độ cần sử dụng cùng một quy trình.Đây không chỉ là sự hợp nhất của thiết kế mạch tích hợp và thiết kế bao bì tiên tiến, mà còn là một khái niệm thiết kế hoàn toàn mới.Khó khăn nằm ở sự đổi mới và điều chỉnh các công cụ EDA.
2. Yêu cầu về kỷ nguyên mới đối với các công cụ EDA
Các công cụ thiết kế Bố cục IC truyền thống Thiết kế bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện trên đế silicon và nhận ra sự kết nối của chúng thông qua hệ thống dây đa lớp.Tuy nhiên, theo ý tưởng thiết kế mới, khi có nhiều tầng, chúng ta không chỉ xem xét sự kết nối và dây dẫn tín hiệu trong tầng, mà còn kết nối giữa các tầng.
Điều này đòi hỏi các công cụ EDA phải có các khả năng thiết kế mạng và hệ thống dây ba chiều, cũng như các khả năng tối ưu hóa mạng đa vị trí.Nói cách khác, công cụ này sẽ có thể tối ưu hóa các kết nối mạng giữa nhiều bố cục trong một không gian cùng một lúc.Nhiều bố cục có thể tồn tại dưới dạng ngăn xếp ảo trong cùng một môi trường thiết kế hoặc trong các môi trường thiết kế khác nhau, nhưng sự tương tác dữ liệu giữa chúng cần được phối hợp và quản lý đồng đều.
Hiện tại không có công cụ EDA nào trên thị trường đáp ứng đầy đủ nhu cầu này, nhưng các công cụ gần với nhu cầu này đã xuất hiện trong lĩnh vực thiết kế bao bì tiên tiến, chẳng hạn như công cụ thiết kế bao bì nâng cao mật độ cao HDAP.Ngoài các công cụ thiết kế, các công cụ xác minh và mô phỏng EDA cũng phải theo kịp tốc độ phát triển.Đầu tiên, các công cụ mô phỏng và xác minh cần có khả năng phân tích chính xác các mô hình dữ liệu phức tạp.Thứ hai, các công cụ mô phỏng cần sử dụng các thuật toán mạnh mẽ hơn để thực hiện mô phỏng và thu được kết quả chính xác, trong khi các công cụ xác minh cần đảm bảo độ chính xác và độ chính xác của dữ liệu từ thiết kế đến sản xuất.
Phần kết luận:
Khi lĩnh vực thiết kế mạch tích hợp tiếp tục phát triển và thay đổi, chúng tôi phải đối mặt với các khả năng và thách thức không giới hạn.Ý tưởng thiết kế mạch tích hợp từ góc độ ba chiều được đề xuất trong bài viết này không chỉ là một thách thức đối với các phương pháp thiết kế truyền thống, mà còn là một sự đổi mới táo bạo cho công nghệ hiện có.Nó báo hiệu hướng thiết kế mạch tích hợp trong tương lai và sẽ đưa chúng ta vào một kỷ nguyên mới của thiết kế điện tử hiệu quả và phức tạp hơn.Mặc dù có nhiều thách thức, chúng tôi có lý do để tin rằng với sự tiến bộ và đổi mới liên tục của công nghệ, ngày này sẽ trở thành hiện thực.