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富士通超级计算机能否使用基于TSV的三维IC

发布时间:2020-07-21 19:27:33 阅读: 来源:篷布厂家

半导体的微细化(也就是摩尔定律)的发展前景笼上了阴云,微细化以外的技术(新摩尔定律)则备受期待。新摩尔定律的一项技术是使用TSV(硅通孔)的三维封装IC。基于TSV的三维封装能否用于超级计算机的处理器IC?前不久的一场演讲就是讨论这个问题的。

本文引用地址:这场演讲发表于“ANSYSElectronicsSimulationExpo”(2015年10月23日在东京举办)。演讲人是富士通先进系统开发本部处理器开发统括部第二开发部的汾阳弘慎(如图)。

汾阳研究了PI(电源完整性)分析和热分析能否用于基于TSV的三维IC的开发,并发布了研究结果。他在研究中使用了美国ANSYS公司的3种分析软件,分别是RedHawk-GPS、ANSYSRedHawk和ANSYSSentinel-TI。

这项研究有四个目的:(1)在布局设计和逻辑设计之前,能否对电源网络进行PI分析;(2)使用软件是否真的能够分析三维IC;(3)能否构建三维IC的PI和热分析流程;(4)超级计算机用处理器能否做成三维IC。

针对第一个目的“在布局设计和逻辑设计之前,能否对电源网络进行PI分析”,研究中使用了RedHawk-GPS。即便在没有布局设计数据的状态下,只要使用该软件,就能通过GUI或脚本定义电力区域。使用定义好的电力区域信息,可以在开发初期进行PI分析。汾阳研究的对象是使用1块面朝上的芯片和TSV的安装模型(图1)。

图1:RedHawk-GPS的评价使用的安装模型。图片来自富士通的幻灯片资料,下同。

图2:RedHawk-GPS的运行结果的一个例子。TSV的位置不同,会改变IR压降。

对于TSV只位于一边和TSV位于四边这两种封装进行分析的结果显示,与前者相比,后者的IR压降小85%(图2)。而且,在改变TSV的数量和间隔时,IR压降也会出现差别。这表明,通过使用RedHawk-GPS在开发初期进行PI分析,可以掌握IR压降的趋势。

PI和热能否利用工具进行分析

针对第二个目的“使用软件是否真的能够分析三维IC”,具体研究的是使用RedHawk和Sentinel-TI能否分析三维IC。首先以两层逻辑IC芯片叠加而成的三维IC为模型,使用RedHawk实施PI分析(图3)。分析使用的是现有芯片的布局数据。

图3:RedHawk与Sentinel-TI的评价使用的安装模型。

图4:使用RedHawk的静态IR压降分析结果。

具体分析了4边设置TSV的设计(基准案例),在此基础上进行改进的设计(案例1)和进一步改进的设计(案例2)这三个案例。结果显示,静态IR压降与动态IR压降,均按照基准案例→案例1→案例2的顺序得到了改善(图4)。

Sentinel-TI使用上面案例2的设计进行了测评,成功分析了上端芯片和下端芯片的温度分布(图5)。而且发现,TSV和微焊点在从三维模型改为线性模型后,分析结果的温度基本不变,而处理速度提高到了3.5倍。汾阳表示,这些情况“证明了使用RedHawk和Sentinel-TI可以分析三维IC”。

图5:使用Sentinel-TI的热分析结果。

图6:基于TSV的三维安装IC的分析流程。

最令人关注的是成本

另外,根据截至目前的研究,对于“能否构建三维IC的PI和热分析流程”这个问题,汾阳表示:“已经构建出能在开发初期以较短的TAT(周转时间)完成PI和热分析的循环流动,并进行了验证”(图6)。

而且,对于“超级计算机用处理器能否做成三维IC”这一点,汾阳说:“研究结果证实,使用两块逻辑芯片叠加制作的超级计算机用高性能处理器IC,能够实现高精度分析。”不过汾阳也表示,在投入实用之前,还需要对电源网络的结构进行改进。

演讲结束后,笔者向汾阳询问了个人比较关心的TSV封装的制造成本问题。得到的回答是:“与PoP(Pacakge-on-Package)封装相比,估计成本是其2~3倍。”由此可见,与分析相比,成本可能才是基于TSV的三维封装的课题。

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