3DIC CAD placemenent flows and algorithms yielding improved power, performance, and area
Authors: Νικόλαος Σκετόπουλος 
Published: October 2021

Τα τελευταία χρόνια οι ανάγκες για περισσότερη υπολογιστική ισχύ, ταχύτερα μικροηλεκτρονικά κυκλώματα και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας έχουν οδηγήσει την βιομηχανία ημιαγωγών στην ανάγκη εύρεσης νέων μεθοδολογιών και τεχνολογιών, ώστε να καταστήσουν εφικτή την συνέχιση της κλιμάκωσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.Ο νόμος του Moore, για τον διπλασιασμό των τρανζίστορ στην επιφάνεια ενός τρανζίστορ κάθε 18 μήνες [1], έχει φτάσει σε τέλμα. Ο λόγος είναι αφανώς ότι οι διαστάσειςτων τρανζίστορ δεν μπορούν να μικρύνουν περισσότερο και αφετέρου ότι το κατασκευαστικό κόστος είναι πάρα πολύ μεγάλο. Παράλληλα, η καθυστέρηση των καλωδίων δενμπορεί να κλιμακωθούν, όπως πραγματοποιείται με την καθυστέρηση των τρανζίστορ, εμποδίζοντας έτσι την κλιμάκωση των κυκλωμάτων.΄Ενας φυσικός τρόπος για να επιτραπεί η αύξηση της πυκνότητας των τρανζίστορ, διατηρώντας σταθερή την επιφάνεια του ολοκληρωμένου κυκλώματος, είναι η χρήση πολλαπλών ορόφων. ΄Οπως οι πολυκατοικίες επιτρέπουν περισσότερους ανθρώπους να διαμένουν στο ίδιο οικοδομικό τετράγωνο, σε σχέση με τις μονοκατοικίες, έτσι και τα τρισδιάστατα κυκλώματα μπορούν να επιτρέψουν την συνέχιση της κλιμάκωσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Με την τρισδιάστατη σχεδίαση των κυκλωμάτων, δεν απαιτείταιη χρήση νέων υλικών, αλλά ούτε και κατανάλωση οικονομικών πόρων για την περαιτέρω σμίκρυνση των τρανζίστορ. ΄Ετσι, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τεχνολογικοί κόμβοιπου έχουν δοκιμαστεί και δεν εμφανίζουν προβλήματα λόγω των μικρών διαστάσεων.Ωστόσο, παρόλο το γεγονός ότι η τρισδιάστατη σχεδίαση υπάρχει εδώ και δεκαετίες, δεν χρησιμοποιείται για μαζική παραγωγή κατά το έπακρον. Ο λόγος είναι ότιαφενός κατά την τρισδιάστατη σχεδίαση εμφανίστηκα προβλήματα, όπως η αύξηση της θερμοκρασίας του κυκλώματος, η κατασκευή και διαχείριση των συνδέσεων μεταξύ τωνδιαφορετικών επιπέδων, αλλά αφετέρου η έλλειψη εργαλείων και ροών για την σχεδίαση των τρισδιάστατων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Λόγω της έλλειψης εργαλείων, γιατην κατασκευή των τρισδιάστατων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χρησιμοποιούνται τα συμβατικά εργαλεία και οι ροές σχεδίασης δισδιάστατων κυκλωμάτων. Ωστόσο, τα συμβατικά εργαλεία σχεδίασης δισδιάστατων κυκλωμάτων, δεν μπορούν να λάβουν υπόψιν τους πλήρως τα πλεονεκτήματα που επιφέρει η τρίτη διάσταση και έτσι πολλές φορές δενμπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά.Η εν λόγω έρευνα έχει ως στόχο την εξερεύνηση και αξιολόγηση διαφορετικών μεθοδολογιών ανάθεσης των στοιχείων ενός κυκλώματος σε πολλαπλούς ορόφους. Ηανάθεση των στοιχείων αποτελεί ένα από τα πρώτα βήματα στην κατασκευή ενός τρισδιάστατου κυκλώματος, ενώ οι αποφάσεις που λαμβάνονται σε αυτό το στάδιο μπορείνα αποδειχτούν καταλυτικές για την ποιότητα του κυκλώματος. Απώτερος στόχος είναι η επίτευξη των καλύτερων δυνατών αποτελεσμάτων σε κατανάλωση ενέργειας, ταχύτητας και έκτασης του κυκλώματος, αλλά και το πλήθος των διασυνδέσεων μεταξύ των διαφορετικών επιπέδων.Αρχικά, εξερευνήσαμε διαφορετικές μεθοδολογίες και αλγορίθμους ομαδοποίησης των στοιχείων του κυκλώματος για να απλοποιήσουμε την σχεδίαση με την τεχνική διαίρεικαι βασίλευε. Οι τεχνικές ομαδοποίησης είναι αρκετά σημαντικές καθώς επιτρέπουν την διαχείριση αρκετά μεγάλων κυκλωμάτων. ΄Ετσι εξετάσαμε την τρισδιάστατη χωροθέτησητων ιεραρχικών στοιχείων του κυκλώματος με χρήση αλγορίθμου που έχει σαν αρχικό στόχο τον ισομοιρασμό των ιεραρχικών στοιχείων στα διαφορετικά επίπεδα. Παράλληλααναπτύξαμε ένα νέο αλγόριθμο ομαδοποίησης στοιχείων, ώστε να δημιουργήσουμε πιο προσιτή, για την τρισδιάστατη σχεδίαση, τμηματοποίηση του αρχικού κυκλώματος.΄Επειτα, χρησιμοποιήθηκα και εξετάστηκαν αλγόριθμοι και μεθοδολογίες στο επίπεδο των πυλών. Στο επίπεδο των πυλών υπάρχει μεγαλύτερη ευελιξία για την βελτίωσητων διαφόρων μετρικών (όπως κατανάλωση ενέργειας και χρονισμός). Παρόλα αυτά, η διαχείριση των σύγχρονων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, με δεκάδες εκατομμύρια στοιχεία, καθιστά πρόκληση την χρήση των μεθοδολογιών στο επίπεδο των πυλών. ΄Ετσι, οι μεθοδολογίες που παρουσιάζουμε έχουν σκοπό την αποδοτική σχεδίαση μεγάλων τρισδιάστατων κυκλωμάτων.Τελικά, οι διαφορετικές μεθοδολογίες, αλγόριθμοι και ροές συγκρίνονται στο επίπεδο της τοποθέτησης και διασύνδεσης, και τα αποτελέσματα αυτών αποδεικνύουν ότι ηχρήση της κάθε μίας αποσκοπεί στη βελτιστοποίηση διαφορετικών μετρικών, ανάλογα με την κατασκευαστική τεχνολογία που έχει επιλέξει ο σχεδιαστής. ΄Ετσι, παρουσιάσουμε τα θετικά και αρνητικά στοιχεία της κάθε μεθοδολογίας, ώστε να κατευθύνουμε τον σχεδιαστή στα επιθυμητά αποτελέσματα.