以下文章來源于逍遙設(shè)計(jì)自動化，作者逍遙科技

引言

隨著摩爾定律接近物理極限，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在向2.5D和3D集成電路等新型技術(shù)方向發(fā)展。在2.5D集成技術(shù)中，多個Chiplet通過微凸點(diǎn)、硅通孔和重布線層放置在中介層上。這種架構(gòu)在異構(gòu)集成方面具有優(yōu)勢，但同時在Chiplet布局優(yōu)化和溫度管理方面帶來了挑戰(zhàn)[1]。

圖1：2.5D集成電路的分層架構(gòu)和各種互連組件。

1布局優(yōu)化框架

該框架分為兩個主要階段：第一階段使用基于序列對的樹結(jié)構(gòu)（SP-Tree）進(jìn)行布線長度優(yōu)化布局；第二階段進(jìn)行考慮溫度效應(yīng)的后布局優(yōu)化。系統(tǒng)首先處理輸入約束條件，包括中介層尺寸的固定輪廓要求和Chiplet之間的必要間距。這些約束條件構(gòu)成了后續(xù)優(yōu)化決策的基礎(chǔ)。

圖2：從輸入約束到最終解決方案的完整處理流程。

2基于SP-Tree的布局方法

SP-Tree方法相比之前的CSP-Tree方法有顯著改進(jìn)。其主要優(yōu)勢在于能夠高效表示和處理布局方案，同時消除冗余或無效配置。該方法確保生成的所有布局方案都能在物理上實(shí)現(xiàn)。

布局過程采用復(fù)雜的并行分支定界（B&B）方法。從樹的根節(jié)點(diǎn)開始，通過深度優(yōu)先搜索系統(tǒng)地探索潛在解決方案。在此過程中，算法分配旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)指定方向（北、南、東、西），并確定Chiplet排列的部分或完整序列對。

圖3：比較SP-Tree和CSP-Tree結(jié)構(gòu)，展示SP-Tree方法更高效的組織方式。

3考慮空白區(qū)域的分析優(yōu)化

空白區(qū)域優(yōu)化過程包含四個步驟：

1. 首先，系統(tǒng)處理虛擬Chiplet移動，允許在不考慮物理約束的情況下進(jìn)行初步位置優(yōu)化。

2. 其次是單個Chiplet優(yōu)化，調(diào)整各個組件以獲得最佳位置。

3. 第三步引入了固定和自由Chiplet移動策略，某些Chiplet保持靜止而其他可以重新定位。

4. 最后，系統(tǒng)執(zhí)行多Chiplet組優(yōu)化，同時考慮多個組件的集體移動。這種分層方法確保了解空間的充分探索。

圖4：順序優(yōu)化步驟展示不同的Chiplet移動和空白區(qū)域利用方法。

4后布局溫度效應(yīng)考慮

溫度優(yōu)化階段采用精密的溫度管理方法。系統(tǒng)使用64×64×5網(wǎng)格進(jìn)行熱仿真，提供整個設(shè)計(jì)的精確溫度分布建模。溫度計(jì)算使用SuperLU 5.3.0矩陣求解器，確保高效和準(zhǔn)確的熱分析。

優(yōu)化過程實(shí)施兩種不同的移動策略：第一種策略專注于在計(jì)算的允許區(qū)域內(nèi)進(jìn)行單個Chiplet移動，第二種策略考慮整個Chiplet組的協(xié)調(diào)移動。這些互補(bǔ)方法能夠解決局部熱點(diǎn)和整體溫度分布模式。

圖5：展示單個Chiplet和整體布局組移動策略的熱優(yōu)化方法。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用C/C++在配備Intel Xeon處理器的Linux工作站上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測試。結(jié)果顯示在性能指標(biāo)和處理效率方面都有顯著提升。在布線長度優(yōu)化方面，系統(tǒng)相比現(xiàn)有方法實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.035%的總布線長度改進(jìn)，同時處理速度提高了156倍。

溫度性能結(jié)果同樣顯著，在保持合理布線長度指標(biāo)的同時，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)8.214°C的溫度降低。在大多數(shù)測試案例中，系統(tǒng)成功滿足了85°C的溫度約束，僅需要5.376%的平均布線長度增加即可實(shí)現(xiàn)溫度合規(guī)。

圖6：溫度分布圖展示不同布局配置下的溫度改進(jìn)情況。

6結(jié)論

基于SP-Tree的布局方法結(jié)合溫度考慮，代表了2.5D集成電路設(shè)計(jì)方法的重要進(jìn)展。該框架成功結(jié)合了高效的組合搜索技術(shù)和實(shí)用的溫度管理策略，形成了理論完善且實(shí)用的解決方案。

該系統(tǒng)在處理約十個或更少Chiplet的設(shè)計(jì)時表現(xiàn)特別出色，這與當(dāng)前工業(yè)需求高度吻合。通過有效平衡布線長度優(yōu)化和溫度約束，該框架為現(xiàn)代2.5D集成電路實(shí)現(xiàn)提供了全面的解決方案

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