0 引言

    集成高帶寬存儲(chǔ)器(High Bandwidth Memory，HBM)的2.5D先進(jìn)封裝具有高帶寬、高集成度和低成本的綜合優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始廣泛應(yīng)用于計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)。由于HBM的高帶寬特性，在2.5D封裝中介層(Interposer)設(shè)計(jì)中存在大量布線工作。并且由于HBM的相對(duì)位置在不同的設(shè)計(jì)中存在差異，因此無(wú)法直接復(fù)制以前的布線設(shè)計(jì)?？紤]到這些連接非常規(guī)則，可以通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以節(jié)省手動(dòng)布線時(shí)間。

    本文介紹如何使用SKILL語(yǔ)言在APD中實(shí)現(xiàn)HBM接口的自動(dòng)布線。此方法的核心在于如何獲取每個(gè)連線上的各點(diǎn)坐標(biāo)，再通過(guò)SKILL調(diào)用布線、打孔命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布線工作。

1 2.5D先進(jìn)封裝簡(jiǎn)介

    如圖1所示，這里的2.5D封裝相比普通2D封裝主要多了Interposer和HBM。

    Interposer主要用于連接專用集成電路（ASIC）和HBM，利用硅工藝實(shí)現(xiàn)小尺寸線寬和線間距的高密度布線設(shè)計(jì)。其他信號(hào)通過(guò)硅通孔（TSV）技術(shù)從頂部芯片直接連接到底下的封裝基板。

    如圖2所示，HBM是多個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)的堆疊，以實(shí)現(xiàn)高帶寬和大容量集成。第二代HBM, 每個(gè)IO速率達(dá)2 Gb/s，總共1 024個(gè)IO，即每個(gè)HBM具有2 Tb/s的帶寬。

    由于HBM的高帶寬特性，在Interposer的版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，ASIC的HBM接口有大量的網(wǎng)絡(luò)連接(大于1 700)，如圖3所示。這些網(wǎng)絡(luò)除了連線，還要打地孔(VSS Via)，加地隔離(VSS Shielding)，占用大量的手工布線時(shí)間。

2 手工布線過(guò)程

    第一步導(dǎo)入扇出(Fanout)文件：由于HBM接口的管腳定義和排布都是固定的，因此可以直接復(fù)制這部分的Fanout設(shè)計(jì)。從已有設(shè)計(jì)中導(dǎo)出子圖(Sub-drawing)，再在新設(shè)計(jì)中導(dǎo)入。如圖4所示導(dǎo)入HBM的Sub-drawing后，HBM區(qū)域的過(guò)孔走線已全部扇出。再進(jìn)行ASIC部分的Sub-drawing導(dǎo)入，因此需要導(dǎo)入兩次，總共30 min。

    導(dǎo)入完Fanout后進(jìn)行第二步的連線工作，在APD中將HBM接口的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行走線連接。

    如圖5所示，總共有四層（Ia、Ib、Ic、Wi）2 700多個(gè)連線，手工布線需要1天的工作量。

    第三步在Ib層加VSS Shielding，將所有地線連起來(lái)。構(gòu)成一個(gè)地平面，隔離Ic、Ia層的高速走線，如圖6中的這些細(xì)線?？偣灿?0 000個(gè)連線，需要3天工作量。

    最后一步加VSS Via。如圖7所示，將不同層的地走線用過(guò)孔連接起來(lái)，為高速信號(hào)提供良好的地回流路徑，總共有50 000個(gè)VSS Via，需要1天的工作量。

    綜合以上步驟，如表1所示，每個(gè)HBM接口采用手工布線至少需要一周時(shí)間，在整個(gè)Interposer設(shè)計(jì)過(guò)程中是最長(zhǎng)的。因此就有了利用自動(dòng)布線技術(shù)替代手工布線，縮短設(shè)計(jì)周期的需求。

3 自動(dòng)布線工具的開(kāi)發(fā)

3.1 初步思路

    手動(dòng)布線中的第一步導(dǎo)入Fanout，可以將原有設(shè)計(jì)的Sub-drawing作為模板做成腳本文件(script)，在APD的SKILL程序中進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)入。

    第二步連線工作，如圖8所示，每個(gè)連線過(guò)程在APD中可以用四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)描述(利用SKILL語(yǔ)言中的axlDBCreatLine命令調(diào)用4個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，完成一個(gè)連線)。因此各個(gè)連線的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)P1、P2、P3、P4可以構(gòu)成四個(gè)列表P1_list、P2_list、 P3_list、 P4_list。通過(guò)四個(gè)列表來(lái)描述所有的連線，再用For循環(huán)調(diào)用列表中的每個(gè)坐標(biāo)完成所有連線。

    第三步為地線上的每個(gè)線段插入VSS Via，連接不同層的地線。如圖9所示，只要得到每個(gè)線段的端點(diǎn)坐標(biāo)，并調(diào)用SKILL語(yǔ)言中的打孔命令axlDBCreatVia，就可以實(shí)現(xiàn)加VSS Via。

    最后加VSS Shielding也是調(diào)用SKILL中的連線命令axlDBCreatLine在Ib層連接所有地線，如圖10所示。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

    從前面的初步思路看出，實(shí)現(xiàn)算法的關(guān)鍵是得到所有點(diǎn)的坐標(biāo)。其中P1、P4點(diǎn)的坐標(biāo)可以很容易地在APD中得到。只要用APD中的顯示部件(Show Element)功能，并框選這些端點(diǎn)，就可以得到一個(gè)報(bào)告，里面包含這些端點(diǎn)信息，如圖11所示。再通過(guò)文本處理提取關(guān)鍵字內(nèi)容得到需要的點(diǎn)的坐標(biāo)。

    下一步就是利用得到的P1、P4坐標(biāo)計(jì)算出P2、P3的坐標(biāo)。

    如圖12所示，每個(gè)走線和前一個(gè)走線的坐標(biāo)存在固定的幾何關(guān)系，因此可以通過(guò)公式計(jì)算出每個(gè)走線的P2、P3坐標(biāo)。

    具體公式如下：

L1:（直接從P1點(diǎn)就開(kāi)始轉(zhuǎn)折，因此P2就是P1坐標(biāo)）

    p2_x=p1_x

    p2_y=p1_y

    p3_x=p2_x+(p4_y-p1_y)

    p3_y=p4_y

L2:

    p2_x=L1_p2_x+(L1_p1_y-L2_p1_y)/tg67.5

    p2_y=p1_y

    p3_x=p2_x+(p4_y-p1_y)

    p3_y=p4_y

Ln:

    p2_x=Ln-1_p2_x+(Ln-1_p1_y-Ln_p1_y)/tg67.5

    p2_y=p1_y

    p3_x=p2_x+(p4_y-p1_y)

    p3_y=p4_y

    算出所有點(diǎn)坐標(biāo)后，利用SKILL語(yǔ)言中的連線和打孔命令在For循環(huán)中依次調(diào)用，示例如下^[2-3]。

    連線函數(shù)示例：

    axlDBCreateLine((list p1_x:p1_y p2_x:p2_y p3_x:p3_y p4_x:p4_y), width,"etch/ic")

    打孔函數(shù)示例：

    axlDBCreateVia( "IC_IB", x1:y1, "VSS", nil, 45.)

    為了軟件的易用性，在APD界面中增加相應(yīng)的調(diào)用菜單，如圖13所示。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

    典型的2.5D封裝Interposer設(shè)計(jì)一般有兩個(gè)HBM接口，如圖14所示，總共5 400個(gè)連線，100 000個(gè)VSS Shielding和100 000個(gè)VSS Via。

    如表2所示，如果采用手工布線需要2周時(shí)間，采用自動(dòng)布線工具只要10分鐘，而且各項(xiàng)檢查也都能順利通過(guò)。

4 結(jié)論

    本文詳細(xì)介紹了2.5D封裝Interposer的設(shè)計(jì)過(guò)程，針對(duì)手工布線費(fèi)時(shí)費(fèi)力的痛點(diǎn)，進(jìn)行逐步分析，開(kāi)展算法研究，并在APD中利用SKILL語(yǔ)言完成了自動(dòng)布線工具的開(kāi)發(fā)。

    通過(guò)在典型Interposer設(shè)計(jì)（帶兩個(gè)HBM）中試用，可以大大壓縮設(shè)計(jì)周期，將原來(lái)的手工布線時(shí)間從2周縮短到10分鐘，而且各項(xiàng)檢查都能順利通過(guò)。因此自動(dòng)布線工具對(duì)壓縮設(shè)計(jì)周期，保障設(shè)計(jì)一致性十分有效。

參考文獻(xiàn)

[1] KIM J Y，KIM Y S.HBM：memory solution for bandwidth-hungry processors[C].2014 IEEE Hot Chips 26 Symposium(HCS).Cupertino，CA，USA.2014.

[2] Cadence SKILL language user guide(Version 6.1.6)[Z].2014.

[3] Cadence SKILL language reference[M].Version 6.1.6.2014.

作者信息:

張  成，談玲燕，曾令玥

(格芯半導(dǎo)體上海有限公司 封裝設(shè)計(jì)與算法部，上海201204)