考虑应力的3D IC实时可靠性管理与性能优化技术研究

随着摩尔定律的失效,3D集成电路(3D IC)成为了提高集成度的新突破口。但由于3D IC的片上温度和可靠性问题相对于传统集成电路更加严重,因此极大的限制了它的应用前景。可靠性管理方法可以根据3D IC的运行温度等可靠性信息,采用主动的管理策略,保证3D IC运行在合理的性能区间。因此对3D IC进行快速且准确的可靠性管理就显得非常重要。除了保证运行温度这一方面的可靠性,3D IC还需要保证结构上的可靠性。因为区别与传统集成电路,3D IC引入硅通孔(TSV)集成多个硅层,TSV结构会给3D IC带来巨大的应力压力。然而因为获取应力信息的以及实施管理方法的困难,现有的3D IC可靠性管理方法遭受着管理可靠性低,系统性能退化幅度大等问题。在本项技术研究中,我们提出了一种考虑3D IC的温度和应力的新型可靠性管理技术,称之为STREAM。在传统管理方法中,由于计算成本较高,因此不对应力进行明确的分析,这会导致管理框架得到不准确的可靠性信息,进而给管理策略带来巨大的不可靠性。而STREAM则采用了基于人工神经网络(ANN)的应力模型,从而能够快速且准确地测算实时的应力信息。为了进一步提高可靠性管理的准确性和系统的性能,我们在可靠性管理框架中集成了一个采用寿命银行技术的寿命测算器和一个专门设计的寿命模型预测控制(LMPC)系统。寿命银行技术可以将3D IC的可靠性信息视为一种可消耗且可存储的资源池,采用这项技术可以突破传统管理方法的性能天花板,动态地提高3D IC性能。同时寿命模型预测控制技术利用先进的模型预测控制方法(MPC),基于3D IC的热模型信息,解决了现有可靠性管理方法效率低下的问题。实验结果表明:本研究利用的ANN应力模型可以在可忽略的计算性能消耗下准确地估算3D IC实时应力信息;寿命银行技术可以显著地提高芯片的性能;寿命模型预测控制技术的可靠性及效率明显优于传统的管理方法。对于全芯片的应力和温度的可靠性管理,STREAM不但处理速度快,而且准确性高。同时,它还能够提升3D IC的性能,在很多方面都优于目前最先进的3D IC可靠性管理方法。