[APPLICATION SIEMENS EDA] L’industrie des semiconducteurs se trouve à un moment charnière, un tournant où les bases mêmes de l’informatique sont en train d’être réinventées. L’avance inéluctable de l’IA nous pousse au-delà des limites traditionnelles de la loi de Moore, tandis que le paysage familier de la conception de systèmes sur puce (SoC) en 2D se heurte à ses limites intrinsèques. La voie à suivre, l’avenir même de l’innovation en ce qui concerne les puces électroniques, passe désormais indéniablement par la 3D.

Auteur : Piyush Sancheti Vice-président solutions ingénierie

(Avec le concours de Todd Burkholder, rédacteur spécialisé)

Siemens EDA

Les circuits intégrés 3D embarquent des centaines de puces fragmentées (chiplets) et des millions d’interconnexions au sein d’un même boîtier. Lorsqu’une telle densité est atteinte, les effets thermiques, les déformations et d’autres phénomènes multiphysiques peuvent se propager en cascade à travers la pile, ce qui entraîne des révisions coûteuses et des retards dans la mise sur le marché.

Ces architectures 3D posent des défis totalement nouveaux au niveau du système, nécessitant des solutions innovantes pour atteindre les niveaux de performance et de fiabilité auxquels nous nous sommes habitués.

Pour relever ces défis, il est nécessaire de mettre en place des solutions de circuits intégrés 3D performantes dans cinq domaines cruciaux de la conception : l’exploration, la conception, l’analyse, la fiabilité et les tests.

Exploration de l’architecture

La nouvelle méthode STCO, "co-optimisation des systèmes et des technologies" repousse les limites de la mise à l’échelle de la conception. La méthode STCO permet de trouver des compromis architecturaux et technologiques dès les premières phases de la conception du système, ce qui garantit des résultats optimaux à la fois en termes de performance et de rentabilité, tout en respectant des délais courts.

L’analyse prédictive est une composante essentielle du STCO qui repose sur une modélisation et une analyse approfondies lors de la phase de planification. Afin de déterminer quelle micro-architecture répond le mieux aux besoins et aux objectifs d’un produit, une analyse prédictive de haut niveau évalue une multitude de décompositions différentes du système sur puce (SoC) au niveau des puces fragmentées (chiplets).

Cette analyse de haut niveau est généralement effectuée par l’architecte système ou l’architecte de conception RTL, qui tient également compte des technologies d’encapsulation, des IP de chiplets disponibles et des composants de chiplets prêts à être utilisés.

Schéma du processus STCO pour l’encapsulation de circuits intégrés 3D 

Ces considérations soulignent la nécessité d’une collaboration entre les équipes chargées de la conception du système, du RTL, du boîtier, de l’ASIC et des tests dès les premières étapes du processus de planification de la conception du système.

Cette collaboration doit intervenir avant même le début de la phase de mise en œuvre détaillée.

Conception unifiée des chiplets, des interposeurs et des boîtiers

Au fur et à mesure que les équipes d’ingénieurs intègrent des centaines de chiplets et des millions d’interconnexions dans un seul boîtier, les risques liés à la multiphysique et à la fiabilité, étroitement liés, augmentent de manière exponentielle.

L’intégration hétérogène consiste à assembler dans un seul boîtier des composants fabriqués séparément (chiplets, mémoire, composants optiques et capteurs intégrés dans le même boîtier) à l’aide de technologies telles que l’empilement 2,5D/3D, l’interconnexion verticale (TSV, Through-Silicon Via) et les interposeurs.

L’objectif ici est d’optimiser les performances, la consommation électrique, l’encombrement et les coûts. Pour créer un flux de conception de circuits intégrés 3D, une collaboration dans la conception conjointe est essentielle.

Elle inclut le partitionnement au niveau du système, la planification des interconnexions entre puces, la gestion thermique et une vérification globale du système 3D.

Analyse électrique au niveau du système et validation

Cette intégration hétérogène dans les circuits intégrés 2,5D et 3D exige une analyse électrique systémique qui prend en compte simultanément le silicium, les interposeurs/ponts et les matériaux avancés des substrats d’encapsulation.

Or, les processus traditionnels fondés sur des outils ponctuels créent des cloisonnements. Par conséquent, une extraction manuelle des interconnexions, des conversions répétées de données et un débogage en fin de cycle sont nécessaires.

Les circuits intégrés 3D qui incluent des interconnexions verticales, des micro-bosses, des techniques de soudure hybride, des couches de redistribution à pas fin et des substrats organiques complexes posent de nombreux défis aux concepteurs. Un flux unifié permettant l’analyse de systèmes en phase initiale et l’analyse de qualité "validation" est essentiel pour réduire les risques et accélérer la mise en production.

Modélisation de la fiabilité thermique et mécanique

L’analyse et la vérification thermiques et thermomécaniques doivent débuter dès le début du projet. Ces examens doivent être effectués en continu tout au long du processus de conception, afin d’éviter tout choix architectural ou de conception inadapté.

Ce processus est ralenti par le fait que la modélisation de la fiabilité mécanique est traditionnellement effectuée par des équipes isolées, généralement après la finalisation de la conception de la puce et du boîtier.

Le travail collaboratif est ici crucial pour assurer une encapsulation avancée. A ce niveau, transformer un modèle "électrique vers thermique" en un modèle "thermomécanique"  représente un défi de taille qui exige une expertise approfondie dans ce domaine.

De même, l’intégration d’un "fil numérique" est essentielle pour renforcer la collaboration entre les concepteurs de boîtiers et les analystes en thermomécanique. Idéalement, les architectes devraient être en mesure de lancer, déclencher et mener à bien eux-mêmes des simulations multiphysiques afin d’étayer leurs choix de conception.

Ces mêmes modèles peuvent servir d’outils de communication entre les équipes à la place de PowerPoint, de Visio ou des descriptions par courriel.

Planification thermique prenant en compte le DFT (Design for test) 

Les boîtiers de circuits intégrés 3D permettent l’exécution simultanée de séquences de tests à forte activité de commutation encapsulation avancée sur plusieurs chiplets. Cependant, cela peut entraîner une consommation d’énergie dynamique excessive, ce qui peut entraîner l’apparition de points chauds, une surchauffe ou des dommages matériels.

Shéma du flux unifié Innovator3D IC de Siemens

Les procédures traditionnelles de tests structurels sont réalisées au niveau des puces, mais elles ne disposent pas de la coordination nécessaire au niveau du boîtier pour détecter ou prévenir les expositions "à très haute température" lors des tests de puces empilées. Cela augmente le risque de perte de fiabilité, de défaillance du silicium, de baisse du rendement des tests et d’apparitions de problèmes thermiques difficiles à détecter au stade de la fabrication.

Une solution écosystémique unique

Pour relever ces défis, Siemens propose une gamme complète de solutions EDA visant à optimiser l’exploration, la conception, l’analyse, la vérification et les tests.

Les solutions Innovator3D IC de Siemens permettent notamment de surmonter les difficultés liées à la complexité de la conception de circuits intégrés 3D à tous les stades. Prises en charge par une IA de niveau industriel et des technologies complètes de jumeau numérique, les solutions Innovator3D IC permettent aux équipes d’ingénierie d’accélérer leur travail, de collaborer plus étroitement tout au long du cycle de vie des circuits intégrés 3D et de délivrer  des performances révolutionnaires en matière de circuits intégrés 3D pour les systèmes de nouvelle génération.

L’objectif ici est de fournir les outils nécessaires pour transformer les défis d’aujourd’hui en innovations de demain.

Des informations complètes et détaillées sur ce sujet  des processus de conception, d’analyse et de vérification des circuits intégrés 3D sont accessibles ici.

Sur le sujet de l'optimisaiton de la conception des circuits intégrés 3D, une série de huit e-books s'intéresse à la mise en place des flux de travail de circuits intégrés 3D plus intelligents, plus rapides et plus prévisibles.