（电子科学与技术专业论文）邻近通信关键技术研究与设计.pdf

国防科技大学研究生院学位论文 p r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o ni s an e wi n n o v a t i v e i n t e r - c h i p c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , a i m st ol e to n ec h i pt r a n s m i ts i g n a l sd i r e c t l yt oa n o t h e rn e x tt oi tv i a c a p a c i t i v ec o u p l i n g ，i n s t e a do ft h r o u g ht h et a n g l eo fp i n s ，w i r e sa n dc i r c u i tb o a r d s e m p l o y e dt o d a y f u r t h e rm o r e , i t h a st h ea d v a n t a g eo f h i g h - s p e e d , h i g hb a n d w i d t h , l o w p o w e ra n de n h a n c e dt e s t i n gc a p a b i l i t y t h et e c h n i q u ew i l lh a v eg r e a tv a l u et ow a f e r s c a l ei n t e g r a t e da n dg r e a t l ya l t e rm a n y a s p l e c t so f c o m p u t e rd e s i g n t h i sp a p e rs t u d i e dt h et h e o r yo fp r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n , a n dd e s i g n e dt w o i n t e r f a c ec i r c u i t sw h i c hc a nb eu s e di np r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ra l s o d e s i g n e da n d r e s e a r c h e do t h e rk e y t e c h n i q u es u c ha se l e c t r o n i ca l i g n m e n t , l a y o u td e s i g n , p a c k a g i n gs m l c t u 佗a n dt e s tt e c h n i q u ef o rp r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n t h em a i nw o r k s i nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 rs t u d i e dt h et h e o r yo fp r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o na n di t sr e l a t i v et h e o r y , s u c ha s c o u p l i n gc a p a c i t a n c e ，c a p a c i t i v ec r o s s t a l ke t e i ta l s oo p t i m i z e dt h ec o u p l i n g c a p a c i t a n c ec a l c u l a t i n gm o d e la n dc a l c u l a t e dt h ec a p a c i t a n c ei nt h ed e s i g n 2 i td e s i g n e dt w op r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ti n0 1 8 u r nc m o s p r o c e s s t h el a y o u ts i m u l a t i o nr e a l i z e dt h a tt b e yc 锄o p e r a t ea l2 g h za n dh a v el o w p o w e r ；t h ea v e r a g ep o w e ri sb e l o w3 r o w p i n t h e yc a nb eu s e di np r o x i m i t y c o m m u n i c a t i o nv e r yw e l l 3 i ts t u d i e dt h em i s a l i g n m a n t so fc h i p si np r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o na n dd e s i g n e da s e r i e so f m e t h o d st oa l i g nt h ec h i p s t h ea l i g n m e n tm a yb ef o r m e db ya g e o g r a p h i c f e a t u r e ，m a k i n gav e r n i e rm e a s u r a n e n ta n da d d i n ge l e c t r o n i ca l i g n m e n tl o g i cf o r p r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n 4 i ts t u d i e da n dd e s i g n e ds e v e r a lp a c k a g i n gs t r u c t u r ei n3 dm u r i - c h i pm o d u l e t e c h n i q u e ，w h i c hm a yb eu s e di np r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n i ta l s od e s i g n e da n d r e s e a r c h e dt h et e s t i n gt e c h n i q u ef o rp r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n , w h i c hc 锄b et e s t e d i nf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n , c a p a c i t i v e l yc o u p l i n g , i ob u f f e r , e l e c t r o n i ca l i g n m e n t , 3 d - m c m 第i i 页 国防科技大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 近2 0 年处理器与存储器性能比较图1 图1 3 利用m c m 技术实现的电容耦合连接模型4 图1 4 电容耦合接口总线p c b 测试板 图1 5 利用电感耦合实现的3 d 结构图 图2 1 邻近通信原理示意图 图2 2i o 密度比较图 图2 3 球形焊与邻近通信引脚规模比较 图2 ，4 圆片( w a f e r ) 缀集成模型 图2 5 集成电路发展趋势 图2 63 d - i c 与邻近通信相结合。 图2 7 邻近通信技术中的电容耦合模型 图2 8 两层介质电容模型 图3 1 邻近通信发送接收p a d 示意图 8 1 0 1 0 1 l 1 2 1 2 1 4 1 4 图3 2 锁存型低摆幅反馈灵敏放大器实现的邻近通信接口示意图1 9 图3 3 可调偏置电压产生电路 图3 4 逻辑模拟结果 图3 5 锁存型低摆幅灵敏放大器版图 2 1 2 2 图3 6 锁存型灵敏放大器版图模拟结果 图3 7 信号突变时的模拟结果 图3 8 - 4 0 ( 2 时版图模拟结果 图3 9 神经元模型灵敏放大器电路2 6 图3 1 0 电压产生电路。 图3 1 1 电路模拟结果。 图3 1 2 神经元模型灵敏放大器版图 图3 1 3 神经元模型灵敏放大器版图模拟结果 图3 1 4 信号突变时的模拟波形 图3 1 5 温度扫描模拟波形 图3 1 6 温度扫描眼图 2 7 2 8 2 9 2 9 3 0 3 0 3 0 图4 1 芯片的几种偏移情况3 3 图4 2 多芯片半导体器件示意图 图4 3 表面结构示意图 第页 国防科技大学研究生院学位论文 图4 4 芯片表面的一般布局3 5 图4 5 箭尾形布局 图4 6 利用静电引力对准模型 图4 7 封装对准流程图 图4 8 芯片表面环形标记图。 图4 9 芯片表面对准标记图 图4 1 0 偏离校正灵敏放大器 图4 11 偏移校正灵敏放大器版图 图4 1 2 偏移校正模拟 3 5 3 6 3 7 。3 7 3 8 图4 1 3 两输入电容大小一致时的波形4 1 图4 1 4 对准判断原理图 图4 1 5 对准判断结构图 图4 1 6 位置判断输出波形4 3 图4 1 7 冗余结构示图 图4 1 8 冗余发送p a d 视图 图4 1 9 冗余发射选择电路 图4 2 0 本文设计的发送部分整体电路图 图4 2 1 位置判断控制结构 图5 1 版图设计流程。 图5 2 本设计的芯片布局 图5 3 对准判断发送部分版图 图5 4 对准判断接收部分版图 图5 5 冗余发送部分版图 图5 6 冗余接收部分版图 图5 7 整体版图布局。 图6 1 五芯片实现结构示意图 图6 2 三芯片实现结构示意图 图6 3 二芯片实现结构示意图 图6 4 3 d 封装的两种方法 图6 5 采用裸片的实验方案 4 4 4 5 4 5 图6 6 微弹簧阵列照片 图6 8 利用微弹簧实现的邻近通信结构示意图 图6 93 d - m c m 结构示意图 图6 1 0 基板开窗实现结构示意图 5 5 5 8 5 9 6 0 6 1 6 1 第1 v 页 一一一一一一 ： ： ： 一 国防科技大学研究生院学位论文 图6 0 1 l 与重庆卓为电子交互的设计方案6 2 图6 1 2 功能测试系统 图6 1 3 简单功能测试原理图 图6 1 4 性能测试原理图。 图6 1 5 异步通信控制方案 6 4 ：。6 4 第v 页 国防科技大学研究生院学位论文 表目录衣日求 表2 1 一些典型绝缘材料的相对介电常数。1 6 表3 1 e n l 、e n 2 与v h 、v l 逻辑关系。 表3 2 上拉部分和下拉部分状态表 表4 1 输出编码情况表 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：叠重通焦差璧筮苤盟究生遮i 学位论文作者签名：盘盘连日期：二卯廓f f 月日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印缩印或扫描等复髓手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：垫堑遂差缝拄麴究皇遮i 学位论文作者签名：銎垄整 日期：二“年r 月7 9 、二 作者指导教师签名：二主查 日期：弼年，月“币 国防科技大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 集成电路在过去3 0 年的发展几乎完全遵循m o o r e 定律，即集成电路的集成度 每隔1 8 个月就翻一番。集成电路制造工艺水平和设计技术的飞速发展正引领芯片 的设计规模向越来越大的方向发展。从上世纪九十年代中期至今，半导体工艺技 术飞速发展，半导体器件的特征尺寸从0 3 5 u r n 降低到0 1 3 u r n 甚至6 5 r i m 。元器件 特征尺寸的减小使以高性能微处理器为代表的数字集成电路有了今非昔比的变 化：1 9 9 4 年推出的p c n t i u m 仅达1 0 0 m h z ，而2 0 0 4 年推出的p e n t i u m4e x t r e m e e d i t i o n 频率高达3 6 g i - i z ”。集成电路芯片的工作频率提高很快，芯片的集成度迅 速增长，芯片的功能越来越复杂，功耗越来越高，芯片对输入输t 丑0 o ) 带宽的需 求也越来越高。然而芯片之间通信速度和带宽的增长却缓慢得多图1 1 是近2 0 年间处理器和d r a m 的性能增长比较图，可以明显看到，处理器性能增长速度明 显大于d r a m 的性能增长速度，造成二者的性能差距越来越大，整个系统对带宽 的需求越来越大。芯片之间的通信带宽已经成为系统性能提高的瓶颈。 一 憾 石 j ，h 戈 1 - | i ； _ _- _ 一 1 d s 卜m e m叫 p e r f o r m a n g攀 ；lll | lillll - h - h _ i il ! 一 r 。- ；“ - 一，一 所 p 一r ili ；“ 七童 1 1 一1 。1 ； 图1 1 近2 0 年处理器与存储器性能比较图 现代高性能微处理器的速度已经突破3 g h z ，对于计算机间的互连、计算机与 外围设各间的互连等应用，不同的距离范围都将需要吉比( o b p s ) 级的互连宽带。 但是常规的c m o s 和r 儿由于自身的电路特性和信号特点，很难在芯片外部进行 2 0 0 m h z 以上的信号传输。因此对于高性能微处理器，采用将其外部工作频率降低 至内部的1 2 、1 3 或者更低，这将大大降低高性能微处理器性能的发挥。为满足 越来越高的信号传输需求，出现各种新兴的接口标准，如o t l 、h s t l 、p e c l 、 l v d s 等【2 】嘲【4 】嘲，大大提高了片外信号传输速度。但是仍然没有从根本上打破限 制系统性能的瓶颈。因为，在现有技术中，集成电路芯片内输入输出( i o ) 信号 都是通过i ob u f f e r 连接到压焊点上，再利用球形焊( w i r eb a l lb o n d i n g ) 技术将引 第1 页 国防科技大学研究生院学位论文 线引出与管壳相连，管壳上的针脚( p i n ) 插到p c b 板上的插槽( s o c k e t s ) 上，插 槽再通过连接线与其它芯片的插槽进行相连。而片外的焊接、走线的宽度要比片 内的宽许多倍。片内走线的宽度只有约一微米，而片外走线的宽度却往往要达到 1 0 0 微米以上，焊盘之间的中心间距也在1 5 0 微米以上。极大的限制了芯片外引脚 的数目和通信的带宽。为了减小片内和片外通信带宽的差距，通常的做法是将系 统的所有功能模块都作在一个芯片内，即嵌入式系统( s o c ) ，通过增加芯片的 尺寸和集成度，来减少片外通信需求，同时增加了引脚数量。但是s o c 极大的增 加了设计的复杂度和系统的功耗，降低了芯片的生产成品率，增加了费用。而且 有些芯片由于生产工艺的不同难以集成在同一块硅晶片上 另外，传统引线连接的功耗达到1 0 0 m w ，而据估计未来大规模集成电路的引 脚数将达到7 0 0 0 个，现有技术将无法实现，而且还会带来严重的热设计问题，无 法满足芯片间通信的要求。因此如何实现低功耗、高带宽的芯片间通信已经成为 一个迫切需要解决的问题。 邻近通信( p r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n ) 技术是解决这一问题的一种新的有效手 段，其目标是让芯片向相邻的芯片直接发送信号，而无需现在常用电路板、导线 或针脚等接口。这一技术可以使芯片间通信速度比现有技术提高1 0 0 倍，而功耗 却只有几个毫瓦，避免了热设计问题。这样，即使不把系统的各个部件集成到同 一芯片内部，也能够获得片上速度。该项技术的出现将大大缓解芯片间通信与片 上通信之间的带宽差距，还将大大促进多芯片封装技术的发展与应用，对未来集 成电路技术产生深远的影响。 1 2 国内外研究现状 “邻近通信概念最初是由美国s u n 公司微系统实验室负责人i v a ns u t h v r l a n d 于2 0 0 0 年初提出来的。他有一次在朋友那里看到一种装置，利用电容耦合的方式 测量芯片和玻璃之间的相对移动，可以精确到微米量级。i v a ns u t h c r l a n d 想如果机 械移动可以利用电容耦合的方式测量，那么如果把两个芯片也紧密靠在一起，也 可能利用这种方式使两个芯片进行通信。i v a ns u t h e r l a n d 发明了芯片间这种通信技 术，然后授权r o b e r td r o s t 对其进行重点研究，d r o s t 也因该项研究被麻省理工学 院技术快报( b l i t st e c h n o l o g yr e v i e w ) 评为2 0 0 4 年世界上1 0 0 位顶级的3 5 岁以 下的年轻的革新家之一目前，d r o s t 领导的邻近通信小组正在对该技术进行研究。 邻近通信技术是美国s u n 公司高性能计算机“h e r o ”计划的一部分，这计 划是由美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 拨款近5 0 0 0 万美元资助的。美国政府希 望在2 0 1 0 年以前美国厂商能够推出新一代的超级计算机，以满足美国国防部对未 来高性能计算的需求，这一计划称为高产出率计算机系统( i - i i g hp r o d u c t i v i t y 第2 页 国防科技大学研究生院学位论文 c o m p u t i n gs y s t e m s ) 即h p c s 计划。该计划强调高生产率即商效率，在追求性能 的同时强调系统的易用性和好用性，把解决问题的时间作为衡量系统性能的关键 指标。项目参与者还包括i b m 和c r a y 。两年内即2 0 0 6 年底d a r p a 将从三家公 司里面挑选两家，进行更深入的开发。s u n 希望能够把这项技术用在大型主机上， 作为一个重要的创新点与其它两家公司竞争。s u n 公司表示，他们有望在未来4 年 内突破这项技术，在2 0 0 8 或2 0 0 9 年可能会见到这种产品，计划在2 0 1 0 年前将这 项技术用在超级计算机中。 图1 2 是s u n 公司设计的所谓存储海( s e a o f m e m o r y ) 示意图，是由边长为l g m 的芯片组成的阵列。图中展示了由处理器、内存和i o 的布局，1 0 1 0 个芯片与 9 * 9 个芯片交叉排列，处理器和内存之间创新性地采用电容方式进行连接，这种连 接方式称为邻近通信接口。结合能量和数热技术，s u n 将这样的芯片集合称为一个 h e r o 模块，这个模块是s u n 体系结构中最小的建筑材料。以2 0 0 7 年的处理器和 内存技术推算，单个模块的处理速度可达到2 t s 的峰值速度，1 t s 的保持速度， 内存容量为4 5 2 g b 。尽管内存容量更大，但由于小的物理尺寸和邻近通信技术， h e r o 模块的内存延迟要比目前的系统强得多嘲。 图1 2s e ao f m e m o r y 示意图 在2 0 0 2 年电容耦合邻近通信技术的原型系统开始出现。其基本思想是把容性 发送，接收器阵列集成到半导体芯片中当一个芯片与另一个芯片相对放置，使得 前者的发送阵列与后者的接收阵列构成电容，两块芯片就可以不经过连线而完成 通信。要实现这种通信，发送芯片和接受芯片之间的距离只有几个微米，这也是 第3 页 国防科技大学研究生院学位论文 该项技术名称的由来。图1 3 为其利用m c m 技术实现的电容耦合连接模型。芯片 表面的顶层金属分别与基板表面的金属形成耦合电容，在m c m 基板上设置一层 用作互连，其数据传输率达到4 g b p s ，同时很好的解决了直流、交流供电问题啊 但是这种方式耦合电容会减半，耦合信号会减弱，而且需要额外增加m c m 基板， 设计难度和费用都很高。 图1 3 利用m c m 技术实现的电容耦合连接模型 2 0 0 3 年，日本东京大学开发的原型系统已经获得了1 2 7 g b s p i n 的传输速度， 而相应的功耗却只有3 r o w p i n 。其内部电路采用差分比较的形式，利用电容耦合 的方式，实现了一款无线超级互连接口，为邻近通信技术的发展打下了良好的基 础【8 j 。 2 0 0 4 年s u n 公司采用0 3 5 u r n 工艺实现了一款邻近通信演示系统，1 6 个通道 同时并行向另一个芯片发送数据，在不检测错误的情况下，每个通道数据率达到 1 3 5 g b p s ，整体数据率达到2 1 6 g b p s ，而每个通道的静态功耗仅为3 6 m w ，动态 功耗也仅为3 9 p j i ，j 。 2 0 0 5 年三星公司将电容耦合通信技术用在p c b 板上的总线接口上，在相距 1 0 c m 的两块芯片问实现了5 g b s 高带宽通信，相应的功耗也只有几个毫瓦。图1 4 为三星公司作的在p c b 板上实现的电容耦合接口总线的测试板。其基本原理与利 用m c m 实现的方式类似，利用p c b 板上的导线分别与发送和接收芯片形成耦合 电容，从而实现总线功能，而且将芯片问的传输距离进一步扩展了【l 川。但是这种 方式无法实现很大规模的系统。而且p c b 板上的导线很宽。速度也会有影响。 图1 4 电容耦合接口总线p c b 澍试扳 第4 页 国防科技大学研究生院学位论文 除采用电容耦合方式之外，还有采用电感耦合以及射频方式实现的邻近芯片 之间无线互连。2 0 0 5 年日本横滨的k e i o 大学利用电感耦合的方式，实现了一组芯 片的无线3 d 集成。图1 5 为利用电感耦合实现3 d 多芯片结构示意图i ”】从中可 以看出，这种方式芯片表面的电感会占用很大的面积，电感大小不容易控制，而 且这种方式会消耗很大的功耗，所以通常只适用于发送时钟或主要信号，但对未 来集成电路向3 d 发展具有重要意义。 图1 5 利用电感耦合实现的3 d 结构图 在国内，据了解还没有相关的单位或学者对邻近通信技术进行研究。但是， 很多的媒体和单位如新浪网、中科院计算所等对t i p c s 计划以及s u n 公司方案都 有所报道和关注。 1 3 课题研究意义 邻近通信技术研究取得的成果，将对计算机设计的诸多领域产生深远影响。 例如，由于芯片间数据传输速度以及数据传输通道的增加，芯片的整体性能将会 提升，而能耗则会下降。更为重要的是，由于出现问题的芯片能够及时去除，芯 片的整体成本将会下降。这项技术还能够使设计人员去掉目前处理器上普遍应用 的高速缓存，而将它安放在独立的芯片上。处理器上集成高速缓存的目的是增加 带宽，但是由于在处理器上集成高速缓存需要使用大量的晶体管，因此会大幅增 加生产成本。由于邻近通信技术的速度将近于芯片内的速度，因此可以让各种不 同的功能独立出来，而不需要再将它整合到芯片上s u n 的延展系统事业部 ( s c a l a b l es y s t e m sg r o u p ) 架构长m a r ct r e m b l a y 表示：“如果能把4 0 0 平方毫米 第5 页 国防科技大学研究生院学位论文 的颗粒分为四颗1 0 0 平方毫米的颗粒，那就太好了”其结果也可能将扭转现在 的设计潮流一就是多核心处理器，转为让芯片越来越小u 2 l 。 超级计算机是一个国家国防实力的重要体现，关系到国防建设的各个方面。 当今世界，科技日新月异，而一些关系到国防建设的关键技术往往对我们是保密 的，所以我国在核心关键技术上不能受制于人，要发展自己的新技术，紧跟国际 潮流。为此国防科大计算机学院作为国内重要军用超级计算机研制单位之一，决 定进行“邻近通信”这方面研究，为我国未来的超级计算机研制和将来的国防建 设发展有着重要的意义。 1 4 课题主要工作 邻近通信技术是一种创新性的芯片连接技术，具有高速、低功耗和高带宽等 优点，对未来高性能计算机的发展具有重要意义。本课题在对邻近通信技术相关 理论研究的基础上，设计两款满足邻近通信要求的电容耦合接口，同时邻近通信 的其它关键技术如电对准技术、测试、封装结构等进行了研究与设计，课题的主 要工作包括以下几个方面： 1 、邻近通信工作原理研究 在深入理解有关邻近通信技术的文献基础上，对邻近通信技术的原理、耦合 电容大小以及串扰等相关理论进行了研究。利用电容串联的方法简化了电容计算， 并对0 1 8 微米下的本设计中的电容大小进行了理论计算。 2 、数模混合集成电路设计 数字电路一般需要考虑电路的速度、功耗和面积；模拟电路需要考虑增益、 带宽、噪声、线性度等特性以及工艺、温度、电压等的影响。本课题设计的电容 耦合邻近通信接口属于数模混合集成电路，因此需要综合考虑上面的因素，本文 在深入研究这些因素对接口性能的影响的基础上，设计了两款用于邻近通信的接 口电路。通过电路模拟，单个接口接收频率可达4 g h z ：版图模拟，接收频率可达 2 g h z ，平均功耗小于3 r o w p i n ，很好的满足了邻近通信技术要求。 3 、电对准技术设计 如何精确的对准以及如何应对振动、温度变化等的影响是邻近通信技术的难 点问题，本文在对对准问题进行研究的基础上，设计了一套较完整的对准方案。 利用对准标记以及x 、y 方向的游标判断芯片位置进行对准，同时通过增加冗余 逻辑的方法，使系统在一定范围内可以应对振动、温度变化等的影响。 4 ，封装结构设计 本课题研究的邻近通信技术属于三维封装的范畴，整个系统如何实现也是一 个难点问题，本文对整体封装结构进行了研究，采用三维多芯片组装( 3 d m c m ) 第6 页 国防科技大学研究生院学位论文 对其进行实现，设计了几款可能采用的结构。 5 、测试技术 本文对邻近通信技术的测试方案进行了设计，分别设计了其功能和性能测试 方案。同时对异步通信测试技术进行了简单介绍。 1 5 本文的结构 本文共分为七章，分别针对邻近通信关键技术进行分析讨论。各章组织如下： 第一章绪论：简要介绍课题研究背景、国内外发展现状和课题研究意义，阐 述了本文的主要工作及论文的组织结构。 第二章邻近通信原理及相关理论研究：简要介绍了邻近通信原理及其主要优 势。分析了邻近通信技术涉及的关键技术，并对耦合电容大小进行建模。 第三章邻近通信接口设计；首先对电容和串扰进行了分析，然后介绍了两款 邻近通信接口逻辑设计方案，并对其进行版图设计及对版图性能进行模拟。 第四章电对准技术设计与实现：对邻近通信技术中的对准问题进行研究，给 出较完整的电对准解决方案。 第五章版图设计与模拟：简要介绍全定制设计流程，然后对各单元模块进行 了版图设计，并对其进行了全局布局与规划。 第六章封装结构及测试方案设计：对邻近通信技术的整体实现结构进行了研 究，采用3 d - m c m 的方式，设计了几种可能的封装方案。同时设计了针对邻近通 信技术的测试方案，并对异步通信进行了简要介绍。 第七章结束语：总结了本文的主要工作，针对研究现状、遇到的问题和发展 前景，对后续工作进行了展望。 第7 页 国防科技大学研究生院学位论文 第二章邻近通信原理及相关理论研究 邻近通信( p r o x h u i t yc o m m t m i c a t i o n ) 技术是一种国际上正在研究的新的芯片 连接技术，具有很多独特的优势和需要解决的问题。本章首先对邻近通信原理作 简单介绍，之后分析了邻近通信技术的主要优势，以及需要解决的关键技术进行 分析，最后对邻近通信技术中的关键环节一耦台电容模型进行建模，简化了电容计 算，并对本设计中的耦合电容大小进行了估计。 2 1 邻近通信技术原理 邻近通信( p r o x i m i t yc o m m u n i c a t i o n ) 技术无需现在常用的针脚、导线等接口， 利用电容耦合的方式，直接使相互邻近的芯片进行通信，使i o 接口的大小可以随 芯片特征尺寸变化而变化，克服了现在球形焊技术尺寸基本保持不变的缺点，极 大的增加了i o 接口密度和带宽。 图2 1 邻近通信原理示意圉 图2 1 是邻近通信原理示意图。其中( a ) 图为邻近通信技术的整体实现结构，一 组芯片里2 层摔列，需要通信的两个芯片部分叠加在一起，利用重叠部分的耦合 电容进行通信。图为通信部分的原理示意图。每个芯片发射和接收电路各驱动 一块顶层金属，称为发送或接收p a d 。其中每个芯片的发送和接收电路可以随工 艺特征尺寸变化而变化。当把两个芯片的发射和接收p a d 靠得很近时，通常仅为 几个微米，两个p a d 形成电容的两个极板，利用电容耦合效应，接收p a d 就可 第8 页 国舫科技大学研究生院学位论文 以感应到发送p a d 的电压变化，从而实现通信。 邻近通信的基本思想是在近距离情况下实现高速、低花费的通信。两个芯片 靠得很近，采用电容方式连接，可以省去p c b 板、焊接、导线等，从而明显地降 低了代价，避免了限制系统性能的瓶颈因素。可以人为的使两个芯片面对面的摆 放，通过人工、机械、电等方式使发送和接收p a d 对准，为实现邻近通信傲准备。 两个芯片没有重叠的部分可以用来提供电源或者留作普通f o 之用。每个芯片表面 的钝化层经过平坦化处理，这样就可使两个芯片表面紧密接触，也可以在中问添 加油性电介质，在增大介电常数同时起到暂时粘结两个芯片的作用，从而使耦合 电容的两个极板靠得很近，使耦合信号较大。极板的面积也可以做得很小，降低 寄生电容和功耗。 2 2 邻近通信技术的主要优势 邻近通信技术作为一种革命性的技术，具有很多优势和广阔的应用前景，具 体主要体现在以下几个方面【1 4 】： 省去片外导线 在现有技术当中，芯片表面的焊球、引线键合以及片外的导线成为限制系统 性能提高的瓶颈。随着半导体工艺的发展，芯片内部的集成度迅速提高，而片外 的焊接、引线等工艺的提高却比较缓慢。邻近通信技术采用电容方式进行连接， 避免了p c b 板、导线、焊接等因素的影响，大大提高了系统的片外通信速度，降 低了代价和功耗。 增加了单位面积的带宽 集成电路技术飞速发展，芯片需要向外引出的管脚数会越来越多，而据估计 未来v l s i 芯片引脚数将突破7 0 0 0 个，现有技术将无法满足要求。在邻近通信技 术中，接口尺寸可以随工艺特征尺寸变化，芯片表面采用平板印刷( 1 i t h o g r a p h i c ) 技术，表面p a d 具有很小的面积和间距。 图2 2 为国际半导体发展趋势预测组织( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r ) 于2 0 0 1 年作的2 0 1 0 年前芯片表面每平方毫米i o 密度比较图。可 以发现，2 0 1 0 年以前，现有技术每平方毫米最多有1 0 0 个引脚，而采用邻近通信 技术，每平方毫米引脚数接近4 0 0 0 个，两者的密度差距是明显的。 第9 页 国防科技大学研究生院学位论文 圈2 2 i o 密度比较圈 图2 3 是现在的球形焊技术与邻近通信技术两者的规模比较图，从宏观上即可 看出，两者的密度差距是十分明显的，相应的带宽差距也很大。 图2 3 球形焊与邻近通信引脚规模比较 芯片可以随时更换 在邻近通信技术中，芯片不需要永久固定，芯片之间也没有线进行连接，如 果某个芯片出现问题，可以随时替换掉。这样就很好的解决了良品率即k g d ( k n o w ng o o dd i e ) 问题，延长了系统的使用寿命，降低了系统成本。 增加了测试能力 因为芯片不需永久固定。所以可以采用模块化的测试方法，可针对单个模块 进行测试，更容易找到出现问题的芯片，增加了系统的可维护性和测试能力。 可以将大的芯片分成许多小的功能芯片 邻近通信技术的通信速度和带宽将近于芯片内部的数据传输速度和带宽，因 此可以将大的芯片分成许多个小的功能芯片。芯片越复杂、越大，其制造成本越 高，成品率越低。将芯片分成小的功能芯片后，会明显提高生产过程中的成品率， 从而降低成本。也因此有可能改变现在比较流行的芯片设计潮流即嵌入式系统 国防科技大学研究生院学位论文 ( s o c ) ，改为将芯片设计得越来越小。 省去e s d 保护 在邻近通信技术中，芯片表面覆有钝化层，芯片无需开窗与外部引线，因此 可以省去静电保护( e s d ) 电路，e s d 电路通常在i ob u f f e r 中占用很大的面积和 功耗，省去e s d 电路，可以节省很大面积，减小功耗。 降低发送和接收电路功耗 传统的f ob u f f e r 因其要驱动外部导线，内部需要预加重、电压转换、e s d 保 护等电路，整体功耗会很大。而邻近通信不需驱动外部引线，接近于芯片内部通 信，可以省去该部分电路，电路设计相对比较简单，可以明显的降低发送和接收 电路的功耗。 可以圆片( w a f e r ) 级集成 未来高性能计算机可能会需要很多个处理器和存储器等，传统的方式中，芯 片都是通过管壳、针脚、导线等进行相连，无法做到很大规模的集成。而邻近通 信技术因省去片外导线，可以做到很大规模的集成。图2 4 为采用邻近通信技术的 w a f e r 级集成模型。与第一章介绍的存储海类似，两层芯片相互叠加，利用重叠部 分进行通信。这种方式的实现对未来大规模芯片集成和高性能计算机的研制具有 重要意义。 图2 a 圆片( w a f e r ) 级集成模型 与未来的芯片3 d 集成相结合 图2 5 是未来集成电路的一个发展趋势，现在比较流行的是嵌入式系统( s y s t e m 0 nc h i p ，s o c ) ，即把所有模块作在一个芯片来；进步发展会是封装内系统 ( s y s t e mi np a c k a g e , s i p ) 即多芯片封装，将所有模块封装在一起，也称多芯片组 件( m u l t ic h i pm o d u l e ，m c l v 0 ：随着技术进步，芯片将向三维方向发展，称为堆叠 封装( s t a c k e dd i ep a c k a g e ，s d p ) ，现在最新的3 d - m c m 技术即属于此类；进一步 第l l 页 国防科技大学研究生院学位论文 发展会是3 d 集成芯片( 3 - di n t e g r a t e dc h i p s , 3 d i c ) ，即在一块芯片上集成多层 硅衬底，极大的增加了集成度 图2 5 集成电路发展趋势 图2 63 d - i c 与邻近通信相结合 3 d - i c 也会面临一个严重的问题即k g d ( k n o wg o o dd i e ) f 司题和带宽需求问 题，普通的技术根本无法解决这个问题。图2 6 是3 d - i c 与邻近通信技术结合的示 意图。邻近通信技术可以很好的解决k g d 问题，同时邻近通信技术的高带宽可以 很好的满足3 d - i c 的需要。两者有效结合起来，对未来集成电路的发展具有重要 意义。 2 3 邻近通信关键技术 邻近通信技术的原理虽不复杂，对接口电路的要求也不是很高，但是仍处在 研究阶段，其中还有很多关键技术问题需要解决。 首先，邻近通信接口电路的设计。利用电容耦合效应接收到的信号摆幅很小， 所以在接收部分需要灵敏放大器对其放大。但如果灵敏度过高，就会降低抗噪声 的能力，需要在两者之间进行很好的折中。该接口电路属于数字模拟混合集成电 路，电路的设计难度较大。 其次，如何对准两个芯片，是该技术的难点之一。邻近通信的p a d 比普通p a d 要小很多，而且p a d 密度很大，两个芯片面对面排列，这给对准提出了很高的要 求。邻近通信要求两个芯片不需永久固定，增加了生产和利用率，但是在使用过 程中，如何应对温度变化、机械振动对系统造成的影响，如何重新校正对准芯片 第1 2 页 国防科技大学研究生院学位论文 也是一个问题。 再次如何封装。邻近通信技术中芯片呈堆叠排列，整体结构属于3 d 封装范畴， 而3 d 封装本身即是个难点问题，而且要求芯片不需永久固定，要求精确对准，要 求大规模的芯片集成等等都给封装提出了很多挑战。 如何有效的对信号进行接收识别，通信协议如何设置。邻近通信较适于采用 异步方式进行通信，其接收识别、通信协议设置较复杂，而且如何对大量的接口 信号均能有效接收是该技术的一大挑战。 如何散热，虽然邻近通信单个p a d 的功耗很低，但是其密度很大，所以整个 芯片功耗也很大。而且邻近通信的目标是同时使很多个芯片相互叠加在一起，实 现w a f e r 级集成，芯片密度很大，所以散热就成为一个重要的问题。可以考虑的 方法是采用水冷的方式，将整个系统置于某种冷却液体中进行散热【1 5 1 。 此外，在w a f e r 级集成中，每层芯片可以集成在单个晶片上，如何对其供电， 也成为问题。因为电源和地信号需用普通p a d 进行供电，在芯片密度很大的情况 下，如何对其很好的供电也是一个难点。 邻近通信也给体系结构提出了问题，系统如何设置，因为邻近通信技术只能 与有限数量的邻近芯片通信，就需要重新调整体系结构，使邻近通信技术能够发 挥效用。 邻近通信技术的优势是明显的，但也存在很多问题和挑战亟需解决，该技术 的最终应用需要电路设计者、封装单位、体系结构、软件等技术的大力支持，共 同推进邻近通信技术的发展。目前有关单位正在对其中的难点进行攻关，本文也 对其中主要的关键问题进行了研究，相信不久的将来一种全新的芯片间通信方式 邻近通信技术即将展现在人们面前，引起新一轮的技术革命。 2 4 耦合电容模型 在邻近通信技术当中，为了简化计算，对耦合电容模型主要采用平行板电容 模型进行处理。如图2 7 所示为邻近通信技术中的电容耦合模型。每个芯片的顶层 金属表面覆盖一层钝化层通常为s i 0 2 或s h n 。当两芯片紧密接触后，由于一些因 素影响，可能在钝化层之间会有一定的距离，其问为空气或其它介质，为了增大 电容，通常在中间添加油性电介质，在增大介电常数的同时起到一定的粘结作用。 从整体上看，该电容模型属于多层介质电容，具体计算较为复杂。本文通过一定 的公式推导，对该电容模型计算进行简化。 第1 3 页 国防科技大学研究生院学位论文 d c h i p l 项层金属 钝化层 介质 钝化层 c h i r , 2 顶层金属 图2 7 邻近通信技术中的电容耦合模型 首先分析有2 层介质的情况，如图2 8 所示，金属面积为s ，介质l 厚度为d 1 ， 介电常数为，。介质2 厚度为d 2 ，介电常数为占，：。d l + d r 爿l ，计算总电容大小c ： 介质1 介质2 幽2 8 两层介质电容模型 从电容的定义出发，对电容量进行计算。假定两极板充电后分别带上均匀电 荷，其面电荷密度为矿。因需求解电分质中的场强，所以应先求出介质中的电位 移矢量d ，后求e 的方法处理类似于对两均匀无限大带电平行板电容求电场的 方法，计算在两极板间产生的电位移矢量d 。 大小：d t 0方向：从带正电极板指向带负电极板 应用公式：e = l s 0 8 7 。中电介质的场强大小：e l - j l ：2 | _ e o 占, j 0 6 r l ：中电介质的场强大小：e 尹! l ：! ，_ 2 9 0 6 , 2 应用电势差的定义，计算两极板间的电势差： v l 坛陋d = e l d l + e 2 d 2 = 旦d i + 三d 2 6 0 占, 1e o c , 2 再用电容的定义：c 2 百兰i 得 第1 4 页 国防科技大学研究生院学位论文 旦4 + 鸟鱼+ 生 s os r i8 r 28 ns