3D-микросхемы: почему полупроводниковой отрасли придётся менять сам подход к проектированию

Пока индустрия стремится сохранять темпы инноваций и удовлетворять постоянно растущие требования современных вычислительных приложений к производительности, переход к 3D-проектированию микросхем становится не просто очередным этапом технологической эволюции. Он означает глубокую перестройку самих методологий проектирования, верификации и интеграции полупроводниковых устройств.

Этот трансформационный период требует переоценки существующих рабочих процессов и одновременно заставляет теснее сотрудничать практически всех участников полупроводниковой экосистемы — от разработчиков IP и чиплетов до фабрик, производителей корпусов и OSAT-компаний. Чтобы преодолеть разрыв между современными практиками проектирования и требованиями гетерогенной интеграции 3D-ИС, отрасли приходится выстраивать новую систему разработки, в которой границы между кристаллом, корпусом и системой становятся всё менее определёнными.

Где сегодня находится 3D IC

Термин 3D IC сегодня используется достаточно широко и иногда применяется практически ко всему спектру передовых технологий корпусирования. Однако для проектировщика принципиально важно различать 2.5D- и настоящую 3D-интеграцию.

Большинство современных масштабных решений относится к классу 2.5D. В таких конструкциях несколько кристаллов располагаются рядом друг с другом на кремниевом интерпозере, который затем монтируется на органическую подложку. Такой подход уже доказал свою эффективность в самых требовательных вычислительных системах, обеспечивая существенный рост пропускной способности и снижение расстояния между вычислительными и запоминающими компонентами по сравнению с традиционной 2D-компоновкой.

Однако 2.5D остаётся горизонтальной интеграцией: основные кристаллы располагаются рядом, а не один над другим.

Настоящая 3D-интеграция, которая постепенно переходит из области исследований в практические проекты, предполагает непосредственное вертикальное соединение кристаллов и их размещение друг над другом. Для таких конструкций особенно важны технологии гибридного соединения, позволяющие создавать очень плотные межкристальные соединения с существенно меньшим шагом, чем у традиционных вариантов корпусирования.

В результате становится возможным формировать многокристальные вертикальные структуры, в которых расстояние между функциональными блоками уменьшается уже не за счёт сокращения длины дорожек на плоскости, а за счёт перехода в третье измерение.

Именно здесь раскрывается один из главных потенциальных эффектов 3D-интеграции: разработчик получает возможность рассматривать систему не как один огромный кристалл, а как совокупность специализированных функциональных слоёв и кристаллов, оптимизированных под конкретные задачи.

Сегодня отрасль фактически движется по двум параллельным направлениям.

На переднем крае находятся гипермасштабные поставщики облачных сервисов и крупные операторы центров обработки данных. Они активно используют передовые методы многочиповой и 3D-интеграции прежде всего в системах искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений. Для таких приложений преимущества высокой плотности межсоединений и сокращения расстояния между вычислительными блоками и памятью становятся особенно существенными.

На более широком рынке внедрение настоящих 3D-интегральных схем идёт медленнее. Крупные кремниевые фабрики уже сформировали соответствующие технологические процессы и методологии, однако для заказчиков остаётся проблема технологического enablement — то есть доступности полного набора средств и данных, необходимых для разработки, верификации и производства.

Похожая ситуация складывается и у поставщиков услуг OSAT. Технологические возможности для работы с передовой упаковкой и 3D-интеграцией постепенно становятся зрелыми, однако поддержка конкретного проектного процесса, библиотек, моделей, правил проектирования и средств верификации может существенно различаться.

Поэтому сегодня наблюдается заметная вариабельность зрелости 3D-проектирования. В центре внимания остаётся физическая проверка: необходимо убедиться, что сложная конструкция с несколькими кристаллами, интерпозерами, вертикальными соединениями и различными технологическими процессами действительно соответствует многочисленным правилам производства и сборки.

Важнейшим элементом этого перехода становится концепция чиплетов. Идея архитектуры «mix-and-match», напоминающей конструктор LEGO, постепенно приобретает практическое содержание. Развитие Universal Chiplet Interconnect Express, UCIe, создаёт стандартизированный уровень взаимодействия между чиплетами и формирует основу для более открытой экосистемы.

При этом UCIe — лишь часть необходимой инфраструктуры. Сам по себе стандарт интерфейса не решает вопросы механики, теплового режима, питания, тестирования, надёжности и физической интеграции. Тем не менее развитие стандарта уже распространяется и на 3D-упаковку, включая варианты, ориентированные на гибридное соединение.

Появление специализированных чиплетов от IP-провайдеров также способно ускорить распространение такого подхода. Вместо разработки каждого функционального блока с нуля конструктор получает возможность использовать предварительно проверенные строительные элементы, адаптируя архитектуру системы под конкретное применение.

Экономика и технологии меняют 3D-интегральные схемы

Одним из наиболее сильных экономических стимулов для перехода к многочиповым и 3D-архитектурам становятся растущие стоимость и риски разработки на передовых технологических узлах.

Проектирование современных высокопроизводительных кристаллов требует огромных инженерных ресурсов. Ошибки в проекте, проблемы с выходом годных изделий или необходимость повторной итерации на передовом технологическом процессе способны привести к многомиллионным потерям. Поэтому сама идея создания одного гигантского монолитного кристалла постепенно перестаёт быть универсальным решением.

Есть и фундаментальное техническое ограничение. Размер кристалла ограничивается, среди прочего, максимальным полем экспонирования литографического оборудования. При увеличении площади кристалла растут не только его стоимость и сложность проектирования, но и вероятность того, что случайный дефект сделает весь кристалл непригодным.

Поэтому в определённых архитектурах становится экономически и технически выгоднее разбить систему на несколько меньших функционально специализированных кристаллов, изготовленных с использованием различных технологических процессов, а затем объединить их в единую систему.

Именно здесь появляется принцип «правильного» технологического узла для каждого IP-блока.

Не каждый функциональный элемент выигрывает от перехода на самый современный и дорогой технологический процесс. Вычислительные ядра, например, могут требовать передового узла, тогда как интерфейсные блоки, аналоговая часть, ввод-вывод, контроллеры или специализированные ускорители могут эффективно работать на более зрелых технологиях.

Вместо того чтобы производить всё на одном передовом узле, разработчик может оптимизировать технологический процесс для каждого компонента, а затем объединить полученные кристаллы посредством передовой упаковки.

Это меняет саму экономическую модель проектирования. Производительность системы определяется уже не только характеристиками отдельного кристалла, а тем, насколько эффективно разработчик способен распределить функции между несколькими кристаллами и затем интегрировать их в единую систему.

При этом одним из важнейших технических факторов становится доступ к памяти с высокой пропускной способностью и низкой задержкой.

Системы искусственного интеллекта, машинного обучения и высокопроизводительных вычислений работают с огромными потоками данных. Поэтому производительность вычислительных ядер всё чаще ограничивается не только количеством операций в секунду, но и возможностью быстро доставлять данные к этим ядрам.

Размещение памяти максимально близко к вычислительным элементам позволяет сократить расстояния прохождения сигналов и повысить плотность межсоединений. Именно поэтому современные высокопроизводительные ускорители широко используют память HBM, размещаемую рядом с вычислительным кристаллом в составе передовой упаковки.

В наиболее сложных системах количество HBM-стеков уже измеряется несколькими единицами и может достигать восьми и более в зависимости от архитектуры. Рост потребностей ИИ и HPC будет продолжать увеличивать значение такой компоновки.

Следующее поколение HBM также увеличивает требования к упаковке. HBM4 предусматривает 2048-битный интерфейс и более высокие скорости передачи данных по сравнению с HBM3. Это означает дальнейший рост требований не только к самой памяти, но и к интерпозерам, межсоединениям, целостности сигналов, электропитанию и отводу тепла.

Таким образом, развитие HBM и развитие передовой упаковки оказываются тесно связанными процессами. Чем выше требования к пропускной способности памяти, тем сложнее становится обеспечить необходимые электрические, механические и тепловые характеристики всей сборки.

Перемены — это хорошо

Успешный переход к 3D-проектированию ИС требует фундаментальных изменений как в методологиях разработки, так и в организации инженерных команд.

Традиционный подход «через стену», при котором разработчики кристалла передают результат специалистам по корпусированию, а те затем самостоятельно решают возникающие проблемы, для сложных 2.5D/3D-систем становится всё менее эффективным.

Вместо него необходим интегрированный процесс, ориентированный на систему в целом.

Критически важные вопросы — от распределения питания до теплового управления и целостности сигналов — необходимо рассматривать уже на ранних этапах архитектурного проектирования. Причём речь идёт не об однократной проверке, а о непрерывной кооптимизации системы на протяжении всего цикла разработки.

Быстрый темп развития передовых технологий упаковки дополнительно усложняет задачу. Постоянно появляются новые варианты подложек, интерпозеров, мостов, гибридного соединения и форматов сборки. Проектировщик должен не просто знать существующие технологии, но и понимать, какие из них реально доступны для массового производства и поддерживаются конкретными поставщиками.

Гипермасштабные компании находятся в авангарде внедрения современной 3D- и многочиповой упаковки. Но даже для них остаются сложными такие задачи, как 3D-верификация, распределение питания, тепловое моделирование, анализ целостности сигналов и оценка надёжности.

Именно поэтому меняются и EDA-инструменты.

Современная система проектирования должна начинать работу не с детальной разводки отдельных кристаллов, а с исследования архитектуры всей сборки. Необходимо заранее определить конфигурацию стека, взаимное расположение кристаллов, интерпозеров и подложки, маршруты питания и сигналов, возможные источники тепла и пути его отвода.

Критические вопросы должны решаться ещё до того, как команда зафиксирует физическую реализацию.

Например, если верхний кристалл в вертикальном стеке имеет значительное энергопотребление, вопрос его охлаждения нельзя откладывать до стадии финального проектирования корпуса. Аналогично, решение о размещении нескольких чиплетов непосредственно влияет на длину соединений, паразитные параметры, целостность сигналов и требования к питанию.

Поэтому системное понимание того, как взаимодействуют отдельные кристаллы, интерпозеры, мосты и подложки, становится обязательным условием успешного проекта.

Это касается и конфигурации стеков, и стратегии размещения, и характеристик интерфейсных слоёв, и механических ограничений.

Особенно сложным становится баланс между конкурирующими требованиями.

Один из наиболее характерных примеров — взаимосвязь тепловых ограничений и электрических характеристик.

Высокая плотность мощности является фундаментальной проблемой 3D-интеграции. При вертикальном размещении нескольких активных кристаллов часть источников тепла оказывается удалена от наиболее эффективного пути теплоотвода. Кроме того, увеличение плотности соединений и уменьшение размеров конструктивных элементов ограничивают пространство для организации охлаждения.

Поэтому тепловые вопросы необходимо учитывать уже при выборе архитектуры.

Результат может повлиять на расстояние между компонентами, ориентацию кристаллов, выбор материалов, конструкцию корпуса и требования к системе охлаждения.

Но тепловой анализ — только одна сторона задачи. Изменение геометрии соединений влияет на сопротивление и индуктивность, а значит, и на целостность сигналов и характеристики системы питания. Механические напряжения, возникающие из-за различий коэффициентов теплового расширения материалов, также могут воздействовать на надёжность и электрические параметры.

Именно поэтому раннее прогностическое моделирование становится одним из ключевых элементов 3D-проектирования.

Инструменты моделирования должны использоваться не только для финальной проверки уже готовой конструкции. Их задача — позволять инженерам сравнивать различные архитектурные варианты ещё до начала детальной физической реализации.

Такой подход позволяет анализировать одновременно тепловые, электрические и механические характеристики и выбирать компромисс между ними ещё на стадии архитектурного проектирования.

Современные EDA-платформы постепенно движутся именно в этом направлении. Например, Siemens позиционирует Innovator3D IC как единое окружение для планирования и гетерогенной интеграции 2.5D/3D-систем, связывающее работу с кристаллами, чиплетами, интерпозерами и подложками с многофизическим анализом. В состав соответствующего технологического стека входят средства физической верификации Calibre, анализа тепловых характеристик и механических напряжений, а также инструменты проектирования корпуса и подложки.

Это отражает более общий тренд: граница между EDA для кристалла и инструментами проектирования корпуса постепенно стирается.

Меняется и организация инженерных команд

Помимо методологии проектирования, меняется сама структура взаимодействия специалистов.

Традиционные изолированные команды, в которых проектирование кристалла, корпуса и системы выполняется последовательно, плохо соответствуют требованиям 3D-микросхем.

Успешный проект требует объединения специалистов по целостности сигналов, целостности питания, тепловому анализу, физической компоновке, механике, тестированию и верификации.

Граница между кристаллом и корпусом становится настолько тонкой, что разделять эти области на независимые этапы разработки всё сложнее.

Поэтому системно-ориентированный подход должен начинаться уже на архитектурном уровне.

Роль EDA в новой архитектуре

Для 3D-интеграции особенно важна возможность создать единую цифровую модель всей сборки.

Вместо разрозненных моделей отдельных кристаллов, корпуса и платы требуется единое представление системы, позволяющее учитывать их взаимное влияние. Такой цифровой двойник должен связывать архитектурное планирование, физическую реализацию, многофизический анализ и финальную верификацию.

Именно такую концепцию Siemens развивает в Innovator3D IC. Платформа использует единый цифровой информационный контур для планирования и анализа гетерогенной интеграции, включая кристаллы, чиплеты, интерпозеры и подложки. При этом анализ электрических, тепловых и механических характеристик переносится на более ранние стадии разработки.

После приобретения Altair возможности Siemens в области многодисциплинарного моделирования дополнительно расширились. Сделка была завершена в марте 2025 года; в 2026 году Siemens уже представила объединённый портфель Simcenter, включающий технологии Siemens и Altair для инженерного моделирования, HPC и мультифизического анализа.

Для 3D-ИС это особенно важно, поскольку разработчику приходится одновременно работать с несколькими физическими доменами.

В результате EDA-среда будущего должна отвечать уже не только на вопрос «соответствует ли схема правилам проектирования?», но и на значительно более широкий набор вопросов:

Как распределяется тепло?

Как ведёт себя система питания?

Не ухудшится ли целостность высокоскоростного интерфейса?

Какие механические напряжения возникнут при рабочих температурах?

Как изменение расположения одного чиплета повлияет на остальные элементы?

Можно ли изготовить и собрать получившуюся конструкцию с приемлемым выходом годных изделий?

И наконец, можно ли обеспечить её тестирование и долгосрочную надёжность?

Таким образом, 3D-проектирование превращает EDA из набора отдельных инструментов в интегрированную среду системной оптимизации.

Так выглядит будущее

Успешная реализация потенциала 3D-интегральных схем будет зависеть от того, насколько быстро отрасль сможет сформировать комплексную экосистему проектирования.

Современные EDA-инструменты должны обеспечивать сквозную поддержку — от раннего исследования архитектуры и планирования до физической реализации, многофизического анализа и окончательной верификации.

При этом всё большую роль будут играть искусственный интеллект и машинное обучение. Пространство вариантов для 3D-проекта настолько велико, что ручное исследование всех возможных конфигураций становится практически невозможным. Алгоритмы оптимизации могут помогать находить компромиссы между производительностью, стоимостью, тепловыми характеристиками, энергопотреблением и площадью.

Однако главным изменением станет не сама автоматизация отдельных операций, а переход от последовательного проектирования к непрерывной системной кооптимизации.

Параллельно отрасль движется к стандартизации чиплетов.

Концепция открытого рынка предварительно верифицированных компонентов выглядит одним из наиболее перспективных направлений развития. В идеале разработчик должен иметь возможность выбрать необходимый вычислительный, интерфейсный, коммуникационный или специализированный чиплет, получить его электрические, механические и тепловые характеристики, интегрировать его в архитектуру и выполнить сквозную проверку всей системы.

Для этого недостаточно одного стандарта межкристального интерфейса.

Необходимы стандартизированные форматы описания физических, тепловых, механических и надёжностных характеристик чиплетов. Важны также единые подходы к тестированию, квалификации и передаче моделей между участниками экосистемы.

Именно в этом случае концепция «mix-and-match» сможет превратиться из привлекательной инженерной идеи в реальный промышленный рынок.

Следующим этапом развития могут стать системы на пластине — System on Wafer, SoW, — в которых большое количество вычислительных и вспомогательных компонентов интегрируется на уровне всей пластины. Такой подход способен обеспечить ещё более высокую плотность интеграции, но одновременно предъявляет новые требования к производству, питанию, охлаждению и экономике.

Параллельно развиваются передовые органические подложки, способные в определённых архитектурах предложить альтернативу кремниевым интерпозерам. Снижение стоимости такой инфраструктуры имеет принципиальное значение, поскольку именно стоимость передовой упаковки остаётся одним из барьеров массового распространения сложных многочиповых систем.

Однако фундаментальные проблемы никуда не исчезают.

Чем выше плотность интеграции, тем сложнее становится подвести питание ко всем компонентам и отвести тепло от активных областей. Увеличение числа чиплетов и вертикальных соединений повышает сложность тестирования и верификации. А рост количества взаимодействующих технологических процессов увеличивает число потенциальных отказов и усложняет управление выходом годных изделий.

Поэтому 3D-интеграция не отменяет фундаментальные ограничения закона Мура — она меняет способ, которым отрасль пытается их обойти.

Вместо постоянного уменьшения размеров одного монолитного кристалла индустрия получает возможность комбинировать разные технологические узлы, разные материалы и разные функциональные блоки в единой системе. При этом основным объектом оптимизации становится уже не транзистор и даже не отдельный кристалл, а вся система целиком.

Именно здесь возникает главный вопрос следующего этапа развития полупроводниковой отрасли: сможет ли экосистема чиплетов действительно превратить 3D-интеграцию в своего рода «конструктор», где проверенные компоненты можно свободно комбинировать, или высокая стоимость верификации, упаковки, питания и охлаждения всё же сохранит 3D-ИС привилегией крупнейших разработчиков?

Похоже, именно ответ на этот вопрос определит, станет ли 3D-интеграция следующим массовым этапом развития микросхем или останется технологией для самых дорогих систем ИИ и HPC. А что об этом думаете вы?