ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ — ЧАСТЬ 1

Корпусирование интегральных схем

Соблюдать закон Мура становится все труднее. Поскольку увеличение количества транзисторов больше не применяется повсеместно, отрасль обращается к инновационным технологиям корпусирования для обеспечения технических требований и достижения более низкой стоимости системы.
Устройства, выполненные на SoC и ASIC как правило включают блоки памяти. Раньше эта память находилась в отдельном устройстве, взаимодействующем с SoC или ASIC через печатную плату, на которой они оба были установлены. Но современные скорости обмена информацией в сочетании с требованиями энергоэффективности , вынуждает размещать память в том же корпусе, что и SoC / ASIC, чтобы сократить время прохождения сигналов и оптимизировать параметры межсоединений. Интеграция нескольких устройств в один корпус также сокращает размеры системы, снижает производственные затраты, а также, повышает качество и надежность.
Таким образом, объединение в одном корпусе как однотипных, так и функционально разных устройств, дает значительно более ощутимые преимущества, чем наращивание числа транзисторов согласно закономерности, выявленной Муром.


Рис. 1. Двухмерные и трехмерные технологии корпусирования позволяют разработчикам гибко комбинировать необходимые для устройства микросхемы (Изображение Intel)

Интеграция, как однородных, так и функционально разных кристаллов, обеспечивает расширение функциональности ИС, быстрому выходу на рынок и повышению надежности. В настоящее время появилось множество интеграционных технологических платформ, которые позволяют оптимизировать стоимость, размер, производительность и энергопотребление, поэтому многофункциональные ИС широко применяются во всех сферах, где используется высокотехнологичная электроника — мобильные вычисления, автомобилестроение, медицина, аэрокосмическая промышленность, телекоммуникации и др.

Потребность в изменении методов проектирования

Однако внедрение подобных гибридных ИС создают дополнительные сложности для стандарных инструментов и методологий проектирования. Разработчики, специалилизующиеся в разных направлениях электроники, должны работать вместе, чтобы проверить и оптимизировать всю систему, а не только отдельные элементы. Традиционная конструкция подложки корпуса ИС очень похожа на миниатюрную печатную плату из ламината, но имеет с ней мало общего. Поэтому наработанные методы проектирования и ПО не подходят. Современные ИС используют производственные технологии, материалы и процессы, которые имеют все больше общего с процессами изготовления ИС и требуют нового подхода к проектированию, который влияет на специализацию инженеров, их инструменты проектирования и используемые ими методологии.

Рисунок 2: Технологии проектирования ИС снова достигают критической точки технологического предела

Одна из основных проблем, которая стоит перед разработчиками, — это правильное объединение разнородных узлов-кристаллов, которые могут быть как активными, так и пассивными, а также являться дискретными элементами. Все осложняется тем, что эти подложки и устройства поступают от разных поставщиков, изготовлены с применением разных технологий и, скорее всего, доступны в разных формфакторах.

Создание моделей ИС

Очевидно, что новое модифицированное ПО для проектирования ИС должно основываться на совершенно других принципах, преполагающих не только разработку, но и возможность верификации и тестирования ИС с учетом физических особенностей на уровне сборки, электрических характеристик, нагрузок и тестируемости на уровне системы. Также, ПО должно обеспечивать разработчикам достаточную автоматизацию рутинных операций, позволяющую снизить трудоемкость, сократить сроки разработки и прогнозируемость окончания периода разработки. В идеале все эти требования обеспечивает интегрированный метод электрического анализа, построенный на основе трехмерного моделирования всей разнородной сборки ИС.

Рис. 3. 3D-прототип интегральной схемы.

Подводя итог, можно сказать, что для корпусов интегральных схем нового поколения требуется проектное решение нового поколения со следующими пятью ключевыми функциями:

1. Виртуальное прототипирование
2. Мультидоменная интеграция
3. Масштабируемость
4. Подготовка производства

Построение виртуальной модели ИС 2.5D / 3D обеспечивает полное оформление всей системы, состоящей из нескольких устройств и подложек. Построение модели требует возможности агрегировать данные из разных источников, разных форматов в связное системное представление, обеспечивающая возможности анализа и тестирования всей системы.

Xpedition® Substrate Integrator от Mentor обеспечивает возможность импортировать и управлять несколькими монокристальными модулями, представляющими разнородную сборку.

Рисунок 4: Построение виртуальной модели ИС

Виртуальная модель строиться на основе отраслевых стандартов. Также ПО должно обеспечивать возможность выделения интерфейсов взаимодействия между монокристальными структурами без необходимости создания псевдокомпонентов. Это позволяет работать нескольким независимым группам разработчиков, проектирующим разные узлы устройства. Возможность создания виртуальной модели всей системы, позволяет разработчикам проводить тестирование и анализ своей части в составе всей системы, несмотря на то, что другие узлы системы еще не готовы. Это обеспечивает возможности параллельной разработки узлов ИС, а значит сокращение времени выхода на рынок.

Использование формата Verilog для описания соединений системного уровня позволяет избавиться от необходимости использования нескольких статических электронных таблиц для представления информации о выводах и подключениях. Это обеспечивает полную физическую и электрическую проверку на каждом уровне иерархии проекта.

Проектирование структуры ИС
После окончания проектирования локальных модулей и списока соединений системы, можно перейти к разработке структуры всей ИС. Это горазодо сложнее, чем просто двухмерное размещение кристалла и дискретных устройств. В современных корпусах интегральных схем часто используется несколько межкомпонентных подложек — очевидно, что корпус BGA является неделимым, но обычно присутствуют составные части — переходники, составляющие структуру 2,5/3D. Проектирование структуры ИС включает необходимость удовлетворения множеству требований — обычно начиная с оптимизации уровня ввода-вывода кристалла, контактов, контактных площадок, выступов и шаров с акцентом на пространственное размещение, назначение интерфейсов, целостность сигнала, подачу питания, тепловую нагрузку и т.д.

Рисунок 5: Оптимизация взаимосвязанного проектирования для всех подключенных узлов-подложек

Проектирование структуры ИС с последующей подробной проработкой деталей ИС, должно производиться с учетом требований и рекомендаций, выбранного производителя полупроводниковый структур. Отдавая проектирование структуры ИС сторонним организациям, необходимо помнить о возможности возникновения разности в целях аутсорсинг организации и вашей. Например, цель номер один ваших компаньонов обычно — это доход, в то время ваша, например, производительность или низкое энергопотребление. Конечно, вы можете предоставить технические требования к устройству, но вы по-прежнему передаете на аутсорсинг контроль конечных результатов.

Еще один момент, который следует учитывать при передаче разработки на аутсорсинг, опасность разглашения особенностей проекта, его ограничений сторонним конкурирующим организациям.

Источник: www.mentor.com