IEDM2024 | 异构三维堆叠系统中的先进电源传输网络设计与散热管理

逍遥设计自动化

引言
随着高性能计算和人工智能/机器学习应用的发展，异构三维(H3D)堆叠系统应运而生。这类系统通过精密间距的垂直芯片堆叠，实现了更高的功能密度、更低的通信延迟和更有效的功率分配。然而，在H3D堆叠系统中，高效电源传输网络(PDN)的实现和散热管理面临着重大挑战[1]。
2 K  y: j; q, g5 T3 v

rnu5re3idb364038642652.png

10qzgxogxzn64038642752.png

图1：异构三维集成系统各种电源传输拓扑结构示意图，展示了(a)采用PCB级电压调节器的传统方法，(b)采用中间层集成的过渡方法，以及(c)采用片上电压调节器的终极方法。
+ l2 D" C" S- V  V: P* \+ w( \
8 }4 H/ F% D$ y5 k; G+ J( g, f4 A1
0 f. Z8 ?, ]7 k/ x$ w" j# j" H电源传输网络的演进
/ A' @/ |8 s! ]2 Z: o传统PDN方法在H3D堆叠系统中面临多项挑战，包括高功率密度需求、不同芯片间的电压需求差异，以及复杂的电源传输路径。在高性能应用中，布线损耗与信号电流的平方成正比，导致显著的功率损耗。

itfe4ph5liu64038642852.png

图2：不同布线电压下布线损耗与输出功率的关系图，显示了高功率密度系统中布线电阻的关键影响。
9 b, n. C  v0 A7 y4 \7 x+ H
  M, A. X  P7 p+ M, ^9 `; }% Z

ggnpqe0tok064038642952.png

图3：三种不同PDN拓扑的等效电路模型，展示了每种方法的电气特性和复杂性。
# _, l  k! }' M  K5 U( V6 n
9 J$ `+ z$ s) x3 n对不同PDN拓扑的分析表明，采用片上电压调节器的终极方案(拓扑-3)性能最佳。与传统方法相比，该配置实现了IR压降减少21.5%，电源传输效率提升24.2%。
! [4 L7 ]; \1 I: r3 R9 S
2
& u  k6 B) U& L8 d* G氮化镓功率器件的集成
3 J  x6 s4 A) R为实现高效的片上电压转换，氮化镓(GaN)功率器件的应用提供了理想的解决方案。GaN技术在高电压范围内具有卓越的开关性能，非常适合H3D堆叠系统。
9 t' p( }, `+ [" |

vfxew2j3ztk64038643052.png

( ~: i4 L* C' y+ u/ z+ F

w1asfse524c64038643152.png

图4：GaN功率器件在CMOS芯片PDN上的三维集成详细示意图和制造工艺流程，包括直接散热层键合技术。

) H2 i6 v' T) ], i& `

pyv4u2o1nnh64038643252.png

图5：异构三维集成GaN功率器件的截面分析，包括(a)扫描电子显微镜图像，(b-d)不同器件区域的透射电子显微镜图像，以及(e)不同材料的热导率比较。

4 g3 O/ W; v- N: _2 D" @4 P3
+ Y: ]( z/ m/ l  M( h! K# a器件性能与特性
增强型和耗尽型GaN HEMT的集成展现了优异的性能特征。增强型器件达到了22.3 Ω·mm的导通电阻(Ron)和137 V的击穿电压(VBD)，并在H3D集成后保持稳定运行。
5 Z' u  [0 ]: _4 V

ymcvu2dpm3a64038643352.png

图6：增强型GaN HEMT的电气特性，展示了(a)转移特性，(b)跨导特性，以及(c)输出特性，证明了器件的高性能和可靠性。

4
/ Z# m# z5 [- Q散热管理创新
; O0 u2 w/ Y7 S; V' a9 e3 _散热管理是H3D集成的关键。直接散热层键合技术的实施为散热提供了有效的解决方案。
4 \2 a* c# W; r  ?* ~

bhogppa5nuf64038643452.png

1 U3 L! r8 w- f3 V# b图7：有无散热层的GaN功率器件热成像对比，展示了散热管理的显著改善。

9 c  z( K; b  s2 H

bh3ysdbw03g64038643552.png

图8：热特性分析，显示了(a)温升与功率密度的关系，以及(b)有无散热层器件的热阻对比。
- X6 D+ F4 n. z" B
散热层的引入使热阻(RTH)降低了48.8%，大幅提升了系统的散热能力。这种改进对于维持高功率应用中的器件可靠性和性能极为重要。

hyzbpppgrsy64038643652.png

: T) n3 ]5 {3 w  s$ @! \- E图9：热仿真结果，显示了(a)片上GaN功率器件的截面示意图，(b)热仿真模型，以及(c)有无散热层的温度分布对比。
. G# z5 U, V  `. \
7 R, R( A6 I$ {. k/ w. E5
性能对标
与现有解决方案相比，该技术展现了领先的性能。GaN功率器件与直接散热层键合的集成为H3D堆叠系统的PDN设计带来了重要进展。
2 c; }4 l7 x% ]: g, c! z
参考文献
[1] J. Jeong, C. J. Lee, S. J. Choi, N. Rheem, M. Song, Y.-J. Suh, B. H. Kim, J. P. Kim, J. Shim, J. Lee, M. Park, Y. Koh, D. Kim, and S. Kim, "Vertically Integrated Active Power Delivery Network (PDN) for Heterogenous 3D (H3D) Stacked Systems: 3D On-chip Integration of GaN Power Devices on PDN with Direct Heat Spreading Layer Bonding," in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Dec. 2024.
' P8 @5 b2 i9 C. g. Y; a. H. Q% _) m& MEND
软件试用申请欢迎光电子芯片研发人员申请试用PIC Studio,其中包含：代码绘版软件PhotoCAD，DRC软件pVerify，片上链路仿真软件pSim，光纤系统仿真软件pSim+等。更多新功能和新软件将于近期发布，敬请期待！
点击左下角"阅读原文"马上申请

6 K! D2 x" m9 U* W/ E欢迎转载

, \- b3 @1 W, F1 y7 I4 f% p/ ]0 C转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

: I7 P8 O* W* |5 h: W) E
. h" W0 o* m2 J! S1 M# }* c

jd5lw0ar1g164038643752.gif

3 e" ~1 V) [/ U
6 f& m- c5 d' q/ C! G  d5 I关注我们
! x. L, b" v/ G1 y: z7 S; J
; l/ \. [& h, _

g- M8 Q$ Q3 M  B& d; Z0 C4 j" U& T exbg2q2ifsl64038643852.png

anhzc0tpfm264038643952.png

^. E& K9 l9 U, ?" X; V 5abful2wyl264038644052.png ; X# m& D9 I; s1 b7 \% D" }

                     

* m: [/ m9 Z, ~* r3 a: `
6 A. u% J! m8 c0 n: L1 D  D- j
关于我们：
/ w  R, o+ k2 p* e7 d8 s7 \深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）