考虑应力的3D IC实时可靠性管理与性能优化技术研究

摘要

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。

目录

第一章 绪 论

1.1研究工作的背景及意义

1.2国内外的相关研究工作

1.3本文主要工作

1.4论文结构安排

第二章 3D IC可靠性管理基础

2.1 可靠性模型

2.1.1 热循环效应的可靠性模型

2.1.2 应力迁移效应的可靠性模型

2.1.3 综合可靠性模型

2.2 3D IC的热模型

2.2.1 热模型建立基础

2.2.2 基本单元的热模型建立

2.3 动态温度管理技术

2.3.1 动态电压频率调整技术

2.4 人工神经网络简介

2.4.1 生物神经网络简介

2.4.2 神经网络的数学模型

2.4.3 激活函数

2.4.4 人工神经网络的网络结构表达

2.4.5 人工神经网络的学习算法

2.4.6 学习算法的停止准则

2.4.7 训练流程

2.5 本章小结

第三章考虑应力和温度的3D IC新型可靠性管理技术

3.1 STREAM的基本流程

3.2 3D IC中基于ANN的应力模型

3.2.1 使用基于ANN的应力模型的动机

3.2.3 ANN应力模型的结构与训练

3.2.4 使用ANN应力模型的优势

3.3 基于寿命银行技术的寿命测算器

3.4针对3D IC可靠性管理的新寿命模型预测控制

3.4.1 针对寿命控制的目标温度测算器

3.4.2 寿命模型预测控制

3.5 STREAM的完整工作流程

3.6 本章小结

第四章实验结果

4.1 ANN应力模型的验证

4.2 使用寿命模型预测控制的优点

4.3 采用寿命银行的寿命测算器的优点

4.4 使用STREAM提高整体的可靠性和性能

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 论文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果