3DIC CAD placemenent flows and algorithms yielding improved power, performance, and area

Abstract

In recent years, the needs for more processing power, faster circuits, and less power consumptionlead the semiconductor industry to investigate innovating methodologies andtechnologies to continue the chip scaling process.Moore’s law, indicating that every 18 months the number of transistors is duplicated,comes to an end. The size of the transistors will not be able to be further reduced, whilethe manufacturing cost will continue to increase for each new technology node. In parallel,wires’ delay cannot be scaled as transistors can, making the adoption of new technologynodes more challenging.A solution allowing higher density is to stack transistors in multiple tiers, by utilizing athird dimension. Three-Dimensional (3D) integrated circuits (ICs) allow chip scaling, justlike skyscrapers can accommodate more and more people at the same building block. Bydesigning 3D ICs, there is neither need for new material usage nor is it necessary to spendlarge amounts of money on investigating smaller technological nodes. So, mature technologynodes can be used for 3D ICs, as the benefits of stacking transistors in multiple tiers maysurpass the total benefits of utilizing new technology nodes.Although the 3D ICs design has been around for decades, it is not being employed inmass manufacturing. Therefore, the semiconductor industry will have to deal with a numberof new challenges due to the introduction of the third dimension. One of these challengesis higher density which results in higher circuit temperature, while the efficient linking ofdifferent tiers is another challenge. The absence of Electronic Design Automation (EDA)tools is another impediment to the mass manufacture of 3D ICs. Most of the attempts todesign a 3D IC used traditional two-dimensional EDA tools and physical design flows, withmodifications. However, circuit quality is low when the convectional two-dimensional flowsand tools are used, as they do not inherently take the third dimension into consideration.Our objective in this study is to investigate and evaluate different methodologies thatprovide the ability to separate a design into tiers, i.e. the tier assignment problem. This is oneof the first steps for the 3D integration, while each methodology significantly impacts integrationquality. Our main target has been to improve power consumption, circuit performance,circuit size, and achieve a limited number of interconnections across several tiers.Firstly, we investigated several Block-Based techniques to divide and tackle the problemof assigning a large circuit to tiers. Since modern designs contain billions of standard cells,designing a chip that takes all of the components at once into account is quite challenging.To simplify the three-dimensional design, transitional two-dimensional divide-and-conquerapproaches are employed. So, we developed and consequently we analyze three-dimensionalfloorplanning and clustering algorithms for tier assignment in this study, to handle very largedesigns. This floorplanning algorithm aims to partition RTL functional modules into tiers ofequal size, while the clustering algorithm aims to generate well-formed (e.g. balanced, lowconnectivity) groups of standard cells that will be allocated to tiers.Despite the fact that Block-Based techniques can handle very large designs, their quality isrestricted due to their higher level of circuit abstraction. So, we also investigated Fine-Grainedtechniques as partitioning and three-dimensional legalization. Fine-grained approachesprovide greater freedom, which can lead to better solutions. However, these approaches mustbe able to handle today’s very large circuits, that contain billions of standard cells. But, theFine-Grained techniques that we propose to assign standard cells to tiers do handle thesevery large designs.Finally, we evaluate the merits and limitations of suggested techniques, algorithms, andflows by comparing the placed and routed designs. We also provide assistance on how toapply the methods, algorithms, and flows on three-dimensional circuits, to select the optimalone for the specified metrics.

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.