文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.199808
中文引用格式： 張成，談玲燕，曾令玥. 基于APD的2.5D封裝中介層自動化設計[J].電子技術應用，2019，45(8)：68-70，74.
英文引用格式： Zhang Cheng，Tan Lingyan，Zeng Lingyue. 2.5D package interposer automatic design based on Allegro Package Design[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(8)：68-70，74.
0 引言
集成高帶寬存儲器(High Bandwidth Memory，HBM)的2.5D先進封裝具有高帶寬、高集成度和低成本的綜合優勢，開始廣泛應用于計算和網絡市場。由于HBM的高帶寬特性，在2.5D封裝中介層(Interposer)設計中存在大量布線工作。并且由于HBM的相對位置在不同的設計中存在差異，因此無法直接復制以前的布線設計。考慮到這些連接非常規則，可以通過軟件編程的方式實現自動化，以節省手動布線時間。
本文介紹如何使用SKILL語言在APD中實現HBM接口的自動布線。此方法的核心在于如何獲取每個連線上的各點坐標，再通過SKILL調用布線、打孔命令實現自動化布線工作。
1 2.5D先進封裝簡介
如圖1所示，這里的2.5D封裝相比普通2D封裝主要多了Interposer和HBM。
Interposer主要用于連接專用集成電路（ASIC）和HBM，利用硅工藝實現小尺寸線寬和線間距的高密度布線設計。其他信號通過硅通孔（TSV）技術從頂部芯片直接連接到底下的封裝基板。
如圖2所示，HBM是多個動態隨機存取存儲器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)的堆疊，以實現高帶寬和大容量集成。第二代HBM, 每個IO速率達2 Gb/s，總共1 024個IO，即每個HBM具有2 Tb/s的帶寬。
由于HBM的高帶寬特性，在Interposer的版圖設計過程中，ASIC的HBM接口有大量的網絡連接(大于1 700)，如圖3所示。這些網絡除了連線，還要打地孔(VSS Via)，加地隔離(VSS Shielding)，占用大量的手工布線時間。
2 手工布線過程
第一步導入扇出(Fanout)文件：由于HBM接口的管腳定義和排布都是固定的，因此可以直接復制這部分的Fanout設計。從已有設計中導出子圖(Sub-drawing)，再在新設計中導入。如圖4所示導入HBM的Sub-drawing后，HBM區域的過孔走線已全部扇出。再進行ASIC部分的Sub-drawing導入，因此需要導入兩次，總共30 min。
導入完Fanout后進行第二步的連線工作，在APD中將HBM接口的相關網絡進行走線連接。
如圖5所示，總共有四層（Ia、Ib、Ic、Wi）2 700多個連線，手工布線需要1天的工作量。
第三步在Ib層加VSS Shielding，將所有地線連起來。構成一個地平面，隔離Ic、Ia層的高速走線，如圖6中的這些細線。總共有50 000個連線，需要3天工作量。
最后一步加VSS Via。如圖7所示，將不同層的地走線用過孔連接起來，為高速信號提供良好的地回流路徑，總共有50 000個VSS Via，需要1天的工作量。
綜合以上步驟，如表1所示，每個HBM接口采用手工布線至少需要一周時間，在整個Interposer設計過程中是最長的。因此就有了利用自動布線技術替代手工布線，縮短設計周期的需求。
3 自動布線工具的開發
3.1 初步思路
手動布線中的第一步導入Fanout，可以將原有設計的Sub-drawing作為模板做成腳本文件(script)，在APD的SKILL程序中進行調用，從而實現自動導入。
第二步連線工作，如圖8所示，每個連線過程在APD中可以用四個點的坐標來描述(利用SKILL語言中的axlDBCreatLine命令調用4個點坐標，完成一個連線)。因此各個連線的四個點坐標P1、P2、P3、P4可以構成四個列表P1_list、P2_list、 P3_list、 P4_list。通過四個列表來描述所有的連線，再用For循環調用列表中的每個坐標完成所有連線。
第三步為地線上的每個線段插入VSS Via，連接不同層的地線。如圖9所示，只要得到每個線段的端點坐標，并調用SKILL語言中的打孔命令axlDBCreatVia，就可以實現加VSS Via。
最后加VSS Shielding也是調用SKILL中的連線命令axlDBCreatLine在Ib層連接所有地線，如圖10所示。
3.2 算法實現
從前面的初步思路看出，實現算法的關鍵是得到所有點的坐標。其中P1、P4點的坐標可以很容易地在APD中得到。只要用APD中的顯示部件(Show Element)功能，并框選這些端點，就可以得到一個報告，里面包含這些端點信息，如圖11所示。再通過文本處理提取關鍵字內容得到需要的點的坐標。
下一步就是利用得到的P1、P4坐標計算出P2、P3的坐標。
如圖12所示，每個走線和前一個走線的坐標存在固定的幾何關系，因此可以通過公式計算出每個走線的P2、P3坐標。
具體公式如下：
L1:（直接從P1點就開始轉折，因此P2就是P1坐標）
p2_x=p1_x
p2_y=p1_y
p3_x=p2_x+(p4_y-p1_y)
p3_y=p4_y
L2:
p2_x=L1_p2_x+(L1_p1_y-L2_p1_y)/tg67.5
p2_y=p1_y
p3_x=p2_x+(p4_y-p1_y)
p3_y=p4_y
Ln:
p2_x=Ln-1_p2_x+(Ln-1_p1_y-Ln_p1_y)/tg67.5
p2_y=p1_y
p3_x=p2_x+(p4_y-p1_y)
p3_y=p4_y
算出所有點坐標后，利用SKILL語言中的連線和打孔命令在For循環中依次調用，示例如下[2-3]。
連線函數示例：
axlDBCreateLine((list p1_x:p1_y p2_x:p2_y p3_x:p3_y p4_x:p4_y), width,"etch/ic")
打孔函數示例：
axlDBCreateVia( "IC_IB", x1:y1, "VSS", nil, 45.)
為了軟件的易用性，在APD界面中增加相應的調用菜單，如圖13所示。
3.3 應用實例
典型的2.5D封裝Interposer設計一般有兩個HBM接口，如圖14所示，總共5 400個連線，100 000個VSS Shielding和100 000個VSS Via。
如表2所示，如果采用手工布線需要2周時間，采用自動布線工具只要10分鐘，而且各項檢查也都能順利通過。
4 結論
本文詳細介紹了2.5D封裝Interposer的設計過程，針對手工布線費時費力的痛點，進行逐步分析，開展算法研究，并在APD中利用SKILL語言完成了自動布線工具的開發。
通過在典型Interposer設計（帶兩個HBM）中試用，可以大大壓縮設計周期，將原來的手工布線時間從2周縮短到10分鐘，而且各項檢查都能順利通過。因此自動布線工具對壓縮設計周期，保障設計一致性十分有效。
參考文獻
[1] KIM J Y，KIM Y S.HBM：memory solution for bandwidth-hungry processors[C].2014 IEEE Hot Chips 26 Symposium(HCS).Cupertino，CA，USA.2014.
[2] Cadence SKILL language user guide(Version 6.1.6)[Z].2014.
[3] Cadence SKILL language reference[M].Version 6.1.6.2014.
作者信息:
張 成，談玲燕，曾令玥
(格芯半導體上海有限公司 封裝設計與算法部，上海201204)