富士通：超级计算机能否使用基于TSV的三维IC？

　　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。

　　这场演讲发表于“ANSYS Electronics Simulation Expo”(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、ANSYS RedHawk和ANSYS Sentinel-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。