三维集成电路硅通孔匹配和倒装芯片布线算法研究

【摘要】随着集成电路更小型化、更高带宽和更低功耗的要求加速,三维集成电路作为传统的晶体管尺寸下降的补充,能够使得设计者将多层芯片垂直堆叠,或者在硅中阶层上进行并列的“2.5D”配置,达到更高的集成度。三维集成电路通过硅通孔技术和传统的倒装芯片封装有可能超越摩尔定律的发展。硅通孔会穿透硅片,提供垂直方向的电气连接,一般采用铜进行填充。与引线键合的系统级封装相比,硅通孔能够大量减少电阻、电感和电容的寄生参数,提供更高的性能,节省更多的功耗和进行更高密度的集成。与基于硅中介层的集成方法相比,垂直三维芯片堆叠能够提供更高的集成度,更小的形状系数和更快的设计周期。这样的技术出现是非常吸引人的,但是仍处于起步阶段。目前,集成电路供应链生态系统对此仍然比较模糊,还没有统一的标准。设计、验证和测试仍存在着诸多需要解决的挑战。从电子设计自动化的角度来讲,好消息是不需要完全重新开发三维集成电路的工具。但是以硅通孔为主导的新的设计能力仍然是需要的,比如结构化分析、平面布图、布局布线、热分析、时序、信号完整性、寄生参数提取、芯片／封装协同设计和测试等等。其中有一些目前已经存在,其他的则在发展当中。在本论文中,我们对集成电路物理设计步骤中的三维集成电路硅通孔匹配和倒装芯片布线问题进行了研究。针对三维集成电路硅通孔匹配问题,我们提出了一个实际的三维线网的硅通孔匹配模型和一种集成化的匹配算法。首先证明了在一般情况下,大于两层芯片的预先布局的三维集成电路硅通孔匹配问题是NP完全问题。随后,我们提出并详细描述了一种集成化的匹配算法,包含了最短路径搜索、二分匹配、最小费用最大流的计算和后处理。算法第一步是寻找每条三维线网匹配的最短路径,从而得到总的匹配结果的一个下边界。这个初始的解很有可能是非法的,因为多条线网会占用同一个硅通孔或者微凸块。接着应用二分匹配和最小费用最大流的计算,将共用硅通孔的线网加以分离,来获得一个合理的匹配解。最后,可以选择性地进行后处理步骤来进一步优化硅通孔的匹配结果。我们也对所提出的算法进行了扩展,以处理多端口线网的匹配问题。同时在最短路径搜索和最小费用最大流的计算当中也引入了一些启发式的加速策略。以实际的工业数据进行测试,表明了我们的算法流程与已有算法相比能够在合理的时间内得到高质量的匹配结果。针对倒装芯片布线问题,我们给出了倒装芯片输入／输出线网全局布线和轨迹匹配的一个求解框架。我们采用维诺图理论去构建全局布线通道图。布线通道图的布线容量可以通过布线方向和通道宽度来计算。随后,根据全局布线通道图构建了一个流网络,应用最小费用最大流的计算来获得全局布线的最优解。全局布线之后,我们提出了一种轨迹匹配算法来细化全局布线拓扑路径,同时避免布线的交叉。在所提算法的基础上,一些直接的改进也被提出来并加以讨论。以实际的工业设计用例为基础,实验表明了与一款EDA商业软件中的实现相比,我们的算法和实现能够在布通率和总线长上都有所提升。
【作者】刘晓冬；
【导师】曾璇；
【作者基本信息】复旦大学，微电子与固体电子学，2013，博士
【关键词】三维集成电路；硅通孔匹配；NP完全；倒装芯片布线；维诺图；全局布线；轨迹匹配；物理设计；

【参考文献】
[1]舒伟.小麦抗条锈基因Yr4近等基因系苗期接种后差异表达的cDNA片段的分离[D].中国农业大学,植物病理学,2004,硕士.
[2]张强.南京大学中华民国史研究中心中华民国史研究述评[D].扬州大学,史学理论及史学史,2012,硕士.
[3]马占芳.纳米复合材料在电化学免疫传感方面的应用研究[A].中国化学会.中国化学会第十四届胶体与界面化学会议论文摘要集-第1分会：表面界面与纳米结构材料[C].中国化学会:,2013:1.
[4]张佳茹.区域人力资源协同开发的环境研究[D].安徽大学,企业管理,2014,硕士.
[5]姜丹.高产细菌素菌株WJk84-1的诱变筛选及其对樱桃冠瘿瘤病原菌抑菌机理的研究[D].辽宁师范大学,植物学,2003,硕士.
[6]邓念.全数字化CO_2气体保护焊的研究[D].广西科技大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[7]袁从贵,张新政.时序峰值预测的最小二乘支持向量回归模型[J].控制与决策,2012,11:1745-1750.
[8]陈红.北京高校户外运动社团的发展现状与对策研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[9]马玉.罗默“虚拟证券市场社会主义”理论研究[D].华中师范大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[10]王丽红.中国警察询问中谎言识别语用策略研究[D].广东外语外贸大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[11]王玉红.科技金融风险分担机制研究[D].山东财经大学,金融（专业学位）,2013,硕士.
[12]张文刚.普通高中统计教学现状的调查研究[D].河北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[13]孟根哈斯.退磁效应对磁性薄膜—衬底微悬臂梁弯曲性质的影响[D].内蒙古大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[14]刘恺.从情愫天山创作说天山山水画[D].新疆师范大学,艺术,2013,硕士.
[15]蒋美红.大学生思想政治教育中的激励方法研究[D].北京化工大学,思想政治教育,2013,硕士.
[16]邓元保.海底电缆水下检测机器人仿真技术研究[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[17]胡之亮.山西煤炭企业重组中的人力资源整合问题研究[D].天津财经大学,企业管理,2012,硕士.
[18]陈长城.基于SOA高校图书馆服务管理系统[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[19]乌日娜.珠宝首饰设计师的商业价值实现研究[D].中国地质大学（北京）,设计艺术学,2013,硕士.
[20]黄一.基于碳纳米材料的谐振器与天线研究[D].上海交通大学,2013.
[21]卢朋.基于全生命周期的LEP风险识别与信息集成系统设计[J].经济体制改革,2014,05:120-123.
[22]范春影.微萃取技术在药物分配系数及微量金属离子分析中的应用[D].郑州大学,无机化学,2013,硕士.
[23]纪计坡.农村小水电技术改造研究[D].浙江大学,水利工程（专业学位）,2012,硕士.
[24]赵强.ZrMoN、ZrAlMoN复合膜及ZrAlN/Mo_2N多层膜的性能研究[D].江苏科技大学,材料学,2013,硕士.
[25]朱军伟.陕西数字出版产业发展的推进机制研究[D].长安大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[26]郑雪峰,姚琳.轧钢计算机控制系统集成技术[J].冶金自动化,2001,03:63-64.
[27]哈恒旭,张保会.基于小矢量的快速距离保护新算法[J].电力系统自动化,2005,18:39-44+56.
[28]杨波.中国—东盟高等教育国际合作战略研究[D].广西大学,企业管理,2004,硕士.
[29]黄欢.县级政府基本公共服务公众满意度研究[D].湖北工业大学,政治学理论,2014,硕士.
[30]李刚.信钢炼铁系统优化实践[J].炼铁.2003(02)
[31]程然,姚敏.双性演化:一种基于Fisher奔离过程的演化计算框架[J].控制与决策,2013,06:823-828+836.
[32]刘江,蔡伯根,王剑.地图辅助北斗/惯导组合的列车轨道占用估计方法[J].铁道学报,2014,03:49-58.
[33]黄超.大学生社区志愿服务创新研究[D].福建师范大学,公共管理（专业学位）,2012,硕士.
[34]常龙珠.中原传统丧葬用具研究[D].湖南师范大学,设计艺术学,2013,硕士.
[35]史蒙.老挝农业发展战略研究[D].西北农林科技大学,农业经济管理,2014,博士.
[36]潘春梅.水权市场的法律分析[D].河海大学,环境与资源保护法学,2004,硕士.
[37]洪再新.发现美术史的慧悟价值缅怀导师王伯敏教授[J].新美术,2014,01:5-9.
[38]李芳华.基于压缩感知的雷达目标定位算法研究[D].湖南大学,信息与通信工程,2012,硕士.
[39]刘淑芳.农村小学安全教育存在问题及解决策略研究[D].河北师范大学,教育管理,2012,硕士.
[40]阮武顺成.越南胡志明市部分大学的体育教学工作现状研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2012,硕士.
[41]朱丽萍.论FDI对我国技术进步的影响[D].华东师范大学,国际贸易,2004,硕士.
[42]蔡文良.舰船磁场数学模型及其应用[J].舰船科学技术.1993(01)
[43]崔辰.美国超级英雄电影研究[D].上海戏剧学院,戏剧戏曲学,2014,博士.
[44]魏玉.基于碳减排的创新型产品供应链优化研究[D].北京交通大学,2014.
[45]张强.大震后铁路混凝土简支梁桥灾害损失评估研究[D].北京交通大学,2014.
[46]贾迪.花园口堵口复堤问题再研究（1946年3月-1947年7月）[D].郑州大学,中国近现代史,2013,硕士.
[47]柴伟达.大学生学习自我效能感，学业成就和主观幸福感之间的关系[D].河北大学,基础心理学,2014,硕士.
[48]陆益红.矿区建筑物（构筑物）三维变形监测研究[D].江苏师范大学,大地测量学与测量工程,2013,硕士.
[49]任立石.多陷波超宽带天线及宽频带平面微带反射阵设计[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[50]白玉坤.探究鼠肺缺血再灌注损伤后处理模式中最佳缺血/再灌注时间周期[D].福建中医药大学,病理学与病理生理学,2014,硕士.