三维集成电路的热、应力分析及协同物理设计研究

3D IC integration is an advanced technology which enables vertical integration of silicon dies forming a single 3D-IC stack. 3D IC ingegration can reduce interconnect wire length and achieve higher integration, higher performance and lower cost, even integration of dies with different process technologies. 3D IC manufactural technology is very promising and important for extending Moore's law. In this project, we focus on the study of thermal analysis and stress analysis and the complexity issues involved in the 3D IC physical design. We have proposed parallel adaptive Finite Element Method for the simulation and fast modeling of the thermal stresses of TSV based 3D ICs. We also proposed thermal stress driven 3D IC placement and routing methods. Finally we have proved the TSV assignment problem with more than two layer dies is NP complete. An integrated method which combines the Shortest Path Search, Bipartite Matching, Min Cost and Max Flow Calculation and Post Processing is proposed to achieve good quality results with reasonable running time when compared to the existing works. The proposed design methodologies are novel to 3D IC design area and quite useful for solving the complexity problem. The research results generated from this project is also very important to the development of 3D IC EDA tools in China.

三维集成电路通过硅通孔（TSV）实现垂直方向的芯片堆叠，大幅提高芯片集成度，减少互连长度，提高芯片性能，并能实现不同工艺芯片集成，是延续摩尔定律的国际集成电路的重要发展方向。本课题针对三维集成电路中热、应力导致的电迁移、互连失效、性能下降等问题以及三维集成电路设计复杂度问题开展研究，1）提出了基于并行自适应有限元创新数学方法，建立全芯片三维集成电路的热分析、应力分析快速仿真方法，能够应用于指导物理设计的热分析、应力分析的快速模型；2）提出了TSV应力和热协同的物理设计方法；3）证明了TSV分配问题是NP完全问题，并提出了一种基于最短路径搜索、二分图匹配、最小费用最大流计算和后处理的硅通孔分配算法。这些新理论和新方法的研究将大幅提高三维集成电路设计和分析的效率，提升三维集成电路的性能和可靠性。本课题对推动我国开展国际前沿的三维集成电路设计方法研究和EDA技术开发具有重要理论价值和应用前景。

三维集成电路通过硅通孔和倒焊芯片封装将多个硅芯片在垂直方向集成，是延续集成电路摩尔定律的重要方向之一。本项目围绕三维集成电路设计的核心科学问题开展研究工作，在三维集成电路热分析和应力分析、物理设计和可制造性设计、电路仿真分析、电路优化等方向开展了系统性的研究，取得若干创新研究成果。.（1）在三维集成电路热分析和应力分析方面，提出一种考虑漏电流功耗的三维集成电路快速热分析方法，实现8-139倍的加速，获得EDA国际会议DATE’2017最佳论文提名。研发了基于自适应有限元PHG平台的大规模三维集成电路热应力分析的并行计算工具。在神威太湖之光超级计算机1024 CPU核完成并行测试，为我国研发基于超级计算机的高性能三维芯片EDA工具奠定了坚实的理论基础。.（2）在三维集成电路的物理设计和可制造性设计方面，提出基于热仿真的微沟道水冷散热系统优化设计方法，相比ICCAD国际会议2015 CAD竞赛第一名，节省了11.3%~61.3%的散热功率，降低了49.3%~59.4%的微水泵压力。提出了多重曝光和电子束混合光刻工艺的版图分解方法、基于正切空间的光刻热点分类检测方法。.（3）在三维集成电路仿真分析方面，提出了贝叶斯融合成品率分析新方法和高维和多失效区域的SRAM成品率分析方法，发表DAC’2014论文，获最佳论文提名。提出了数模混合电路仿真的晶体管表格模型近似方法，表格模型集成在华大九天的EDA电路仿真工具Aeolus中。.（4）在三维集成电路优化设计方面，提出了基于多起始点数学规划算法的电路优化设计方法和基于贝叶斯优化的SRAM电路成品率优化设计方法。开发了模拟电路设计自动化工具，在上海安路信息科技有限公司、美国Intel、TI、AMS等公司得到应用，为研发我国自主知识产权的EDA工具奠定了坚实的创新理论基础，提供了核心技术支撑。.本项目共发表论文35篇，其中SCI收录17篇、EI收录34篇。发表在国际权威期刊IEEE Trans. on CAD、IEEE Trans. CAS-I、IEEE Trans. on VLSI论文13篇、集成电路EDA领域最具影响力的国际会议IEEE/ACM DAC论文5篇、IEEE/ACM ICCAD论文2篇。申请国家发明专利6项、授权1项。获2014年教育部长江特聘教授、2014年上海市自然科学牡丹奖、2015年全国五一巾帼标兵。