3D IC represents a comprehensive terminology including every method that stacks silicon ICs vertically. 3D IC is expected to be the future solution for a smaller and a better system because of the technology trend, and the merits 3D IC give. However, in 3D IC, silicon interposer is the essential component because of the various merits including routability and cost. Silicon interposer is a silicon substrate between package and IC, or IC and IC to interconnect various components. However, despite the various merits silicon interposer can give to 3D IC, silicon interposer has its design issues that make the use of silicon interposer harder than any other substrate. Thus, full design and analysis for silicon interposer is needed considering signal integrity and power integrity.
In this paper, design methodologies are introduced on designing silicon interposer for 3D IC, including the process flow to full custom design. Signal integrity simulation and power integrity simulation results are also included to verify the usage of design methodology. A fully operating GPU package for graphic card application was designed. 4 DRAMs were included inside the GPU package, using 3D IC technology and silicon interposer for small size and low cost.
보다 작은 크기의 반도체를 집적함으로서 이윤을 창출하던 기존 반도체 산업이, 앞으로 동일한 방법으로 큰 이윤을 창출하기 어려울 것이라고 한다. 한 메모리기업의 연구결과에 따르면, 과거에 이윤창조의 패러다임이었던 고집적 기술이 더 이상 큰 이윤을 창출할 수 없다고 보고서에 적어놓았으며, 이를 해결하기 위한 대안기술은 3차원 IC 적층기술(이하 3차원 IC기술)이라고 한다. 3차원 IC기술(3D IC)은 실리콘 IC 칩들을 쌓는 모든 방법을 의미하는 포괄적인 기술의 총칭이다. 기술적인 흐름과 3차원 IC 기술의 장점으로 말미암아, 3차원 IC기술은 보다 더 작은, 그리고 보다 더 높은 성능을 요구하는 시스템을 위한 미래의 대안으로 일컬어진다. 이러한 3차원 IC 기술에서 가격과 IC 사이의 연결 등의 문제를 해결하기 위해 핵심적인 역할을 하는 물질이 실리콘 인터포져다. 실리콘 인터포져란, 패키지와 IC, 혹은 IC와 IC 사이를 연결하는 실리콘 물질이다. 많은 장점에도 불구하고 실리콘 인터포져가 아직 시기상조인 이유는 그 자체의 설계 난점들이 있기 때문이다. 따라서 신호 무결성과 전원 무결성을 고려한 실리콘 인터포져의 실제 설계와 분석은 매우 필요하다고 할 수 있다.
본 연구에서는, 그래픽 카드를 위한 GPU 패키지를 설계하였으며, 이 GPU 패키지 안에 실리콘 인터포져를 삽입하여 4개의 DRAM과 GPU를 3차원으로 적층하는, 작은 사이즈와 저렴한 가격을 위한 3차원 IC 설계를 위한 실리콘 인터포져 설계 방법론을 제안하였다. 이러한 설계를 통하여 설계상에서 반드시 필요한 설계 목표를 설정하였고, 실리콘 인터포져를 이용한 3차원 IC를 제작하는 방법론을 설계의 시작서부터 끝까지 제안하였으며, 그 유용성을 증명하기 위해 신호 무결성 시뮬레이션 결과와 전원 무결성 시뮬레이션 결과를 같이 제시하였다. 제안한 실리콘 인터포져 설계에서는 제시한 설계 목표를 모두 만족하였으며, 이를 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
