考量電量之三維積體電路分割演算法

Abstract

隨著科技的發展，晶片的電路設計漸趨複雜，而人們對於電子產品的需求依舊是小而精巧，因此，為了解決二維積體電路(2D IC)面積的問題，以及縮短線長與增加可靠性等，三維積體電路(3D IC)的堆疊架構因應而生，其中，以矽穿孔道(Through Silicon Via, TSV)為基礎的堆疊結構最受重視。然而，三維積體電路的中間層散熱是一個急欲解決的技術問題。 在晶片設計完成與驗證之後，實體設計的電路分割(Circuit Partitioning )是重要的第一步；好的電路分割將能有效的縮短線長、降低成本，而分層的電量限制則能避免晶片過熱而產生運作問題；分割電路後，分層過程中所產生的切點(Cut)將需要透過高成本的矽穿孔道(TSV)來實現，因此，最小化矽穿孔道(TSV)的數量是我們首要的達成目標；而三維積體電路需要以最大面積的該層電路做為切割晶粒大小的依據，因此，藉由均衡電路面積分配，以減少晶片體積來降低成本，也是我們所需改善的方向。 因此，在本文中，我們修改一個二路的分割演算法(2-way FM Partitioning Algorithm )，使其成為多層分割演算法 (Multilayer FM-like Partitioning Algorithm)，藉此解決三維積體電路分割問題，並且提供一個新的電量切割模型(Power-Cut Model)，以進行考量電量的分割步驟；在實驗結果當中，我們實作了兩種不同的選點策略，藉此比較考量電量切割模型(Power-Cut Model)對於不同的分割演算法所產生的影響，其中，改良自原始的FM分割演算法的選點策略，3D IC相較於2D IC額外產生面積在10%以內，整體分割品質受到電量的影響程度較低；另一個選點策略則較能快速的獲得結果，面積平均程度由初始設定的面積係數所決定，分割品質受到電量的影響程度較高；此外，由實驗可知，電路本身的電密度與分割過程中受到電量的影響程度成正比。

As the design of electronic product becomes more and more complicated, the area expansion of two-dimensional integrated circuit (2D IC) occupies too much space. Therefore, 3D IC stacked structure, connected by through-silicon-via (TSV), is used to effectively reduce the chip area and wire length. However, the thermal problem in 3D IC requires immediate solution. The interlayer produces the thermal problem because only the top and the bottom layer are connected with the sink directly. The thermal problem can be solved by the power density constraint in interlayer because the degree of power density is related in thermal generation. The necessary stage in standard circuit design is partition; thus the partition with power consideration in 3D IC is important. In 3D IC partitioning, there are two major objectives, including minimizing the chip area and the number of the TSVs to reduce the manufacture cost. In this thesis, we use a multilayer FM-like partitioning algorithm with power model to achieve our objectives. To predict the power influence early in vertex-move step of the IC partition, we formulate the power density constraint by proposing a new power-cut model. The experiment results were analyzed in terms of the influence of the power effect.