The potential end of Moore's law has caused the semiconductor industry to investigate 3D integrated circuits as a way to continue to increase transistor density. Solutions must be put in place to allow each 3D IC die layer to be tested thoroughly on its own at wafer level to unsure adequate yield on assembled 3D devices. This paper details the testability of a 3D implementation of the Open Cores or1200 architecture. IEEE 1500 is used to signi cantly improve wafer level testability of the 3D IC die layers while maintaining a low test pin count requirement. / text

The main objective of this thesis is to develop a physical design tool that is capable of being used by microarchitects to evaluate the impact of their design decisions on the physical design aspects of future microprocessor development. For deep submicron technology wire delay will scale increasingly badly compared to gate delay and so will become a major bottleneck to performance improvement. Three dimensional integrated circuits (3D ICs) offer a new method of dealing with non-linear wire latency by allowing shorter interconnects that act within their linear region. Thermal considerations in 3D ICs will be more important than traditional designs however, so this problem must also be addressed. This thesis presents a microarchitectural floorplanning tool that will help computer architects to attack the wire delay problem early in the design stages of higher performance microprocessors by including consideration of design for 3D ICs. Consideration of the new problems that occur due to the move to 3D and inherent difficulties with deep submicron design is included. Experiments demonstrate that this tool can generate microprocessor floorplans that include many objectives and continue to enhance performance into the next generation of high performance design.

Dramatic improvements in circuit integration technologies have resulted in a huge increase in the complexity of circuits that can be fabricated on a single integrated circuit(IC). The significance of the performance and reliability issues of interconnects has increased greatly demanding radically different solutions such a Three-Dimensional ICs are an elegant solution to the interconnect and device density issues in the current and future technology generations as they provide an additional dimension for packing the devices. This results in a direct reduction in the chip package area and the total wiring required to complete all the interconnections. More importantly, the number and the length of long, global wires are reduced significantlydue to the availability of the third dimension for routing purposes. But to fully exploit all the advantages associated with three-dimensional ICs, a good three-dim ensional packing of devices is needed. This greatly increases the importance of Floorplanning and Placement stages ofthe VLSI Physical Design process. There have been many initial attempts to develop a physical design framework for three-dimensional ICs but only a few of them focus on physical design for three-dimensional macro-cell based circuit designs. This work develops a novel genetic algorithm for performing both two-dimensional and three-dimensional macro-cell floorplanning. The genetic floorplanner employs two novel crossover operators. The first crossover operator (MTOX) is an unbiased stochastic search operator, while the second crossover operator (HOOX) is a heuristic operator that searches for floorplans with good area usage. Both the crossover operators can be applied transparently for both 2D and 3D floorplanning.Three mutation operators have been developed to work with the chosen floorplan representation scheme, namely Sequence Pairs. Despite the use of a comparatively s mall population size of 200, the genetic floorplanner achieves reduction in footprint area and wirelength for both 2D and 3D floorplanning as compared to some of the recent works in the literature. For 2D floorplanning, the genetic floorplanner achieves a 12 percent average reduction in total wirelength as compared to a Quadratic Programming based Floorplanner for a small 2 percent increase in area. For 3D floorplanning,the proposed floorplanner achieves a 11 percent average reduction in total wirelength and a 5 percent decrease in footprint area as compared to a Simulated Annealing based 3D floorplanner.

Ces dernières années ont vu l'émergence d'un nouveaux concept dans le domaine de la microélectronique pour répondre aux besoins grandissant en termes de performances et taille des puces et trouver une alternative au loi de Moore et de More than Moore qui atteignent leur limites. Il s'agit de l'intégration tridimensionnelle des circuits intégrés. Cette innovation de rupture repose sur l'empilement de puces aux fonctionnalités différentes et la transmission des signaux au travers des substrats de silicium via des TSV (via traversant le silicium). Très prometteurs en termes de bande passante et de puissance consommée devant les circuits 2D, les circuits intégrés 3D permettent aussi d'avoir des facteurs de forme plus agressifs. Des points clés par rapport aux applications en vogue sur le marché (téléphonie, appareils numériques) Un prototype nommé Wide I/O DRAM réalisé à ST et au Leti a démontré ses performances face à une puce classique POP (Package on Package), avec une bande passante multipliée par huit et une consommation divisée par deux. Cependant, l'intégration de plus en plus poussée, combinée à la montée en fréquence des circuits, soulève les problèmes des diaphonies entre les interconnexions TSV et les circuits intégrés, qui se manifestent par des perturbations dans le substrat. Ces TSV doivent pouvoir véhiculer des signaux agressifs sans perturber le fonctionnement de blocs logiques ou analogiques situés à proximité, sensibles aux perturbations substrat. Cette thèse a pour objectif d'évaluer ces niveaux de diaphonies sur une large gamme de fréquence (jusqu'à 40 GHz) entre le TSV et les transistors et d'apporter des solutions potentielles pour les réduire. Elle repose sur de la conception de structure de test 3D, leur caractérisation, la modélisation des mécanismes de couplage, et des simulations. / To improve performances of integrated circuits and decrease the technology cost, designers follow “Moore's law” and “Moore than Moore law”, respectively consisting in increasing the transistor density and integrating heterogeneous circuits. This two challenges to overcome leads to a new one: the improvement of the interconnect density. In 2D circuits, the pitch of the pads is still inaccurate compared to the strong component density. Wire bonding and bumps connecting the different chips (Processor, Memory, Logic…) are long and big, leading to RC delays, losses and electrical coupling. 3D integration is a promising strategy consisting in optimizing interconnects by processing TSVs, short and high-density-allowed connections crossing the silicon bulk involving an electrically efficient way to connect the chips. To achieve high performance and reliability in 3D IC, new design rules have to be investigated because of the specific electrical, mechanical and thermal constraints for 3D stacks. Works presented focus on the high frequency substrate noise generated by high speed signals transmitted along TSVs and its impact on sensitive circuits, such as Low Noise Amplifiers. This phenomenon is a major concern for 3D circuit design and yet still lack of extraction results due to experimental difficulties in extracting noise values in a complex 3D stack. The aim of the thesis was to characterize the coupling noise between TSV and MOS devices to understand involved phenomena and to propose solutions. To raise these objectives, we studied isolated TSV, coupled TSV, TSV to wells and MOS transistor coupling through multi-physics simulations, modeling, and measurement up to 40GHz according to polarization and frequency. Specific 3D radiofrequency test structures in 4 ports have been designed for experimental characterization.

L’intégration 3D est la solution technologique la plus prometteuse pour suivre le niveau d’intégration dictée par la loi de Moore (cf. more than Moore, versus more Moore). Elle entraine des travaux de recherche importants depuis une douzaine d’années. Elle permet de superposer différents circuits et composants dans un seul boitier. Son principal avantage est de permettre une association de technologies hétérogènes et très spécialisées pour la constitution d’un système complet, tout en préservant un très haut niveau de performance grâce à des connexions très courtes entre ces différents circuits. L’objectif de ce travail est de fournir des modélisations cohérentes de via traversant, ou/et de contacts dans le substrat, avec plusieurs degrés de finesse/précision, pour permettre au concepteur de haut niveau de gérer et surtout d’optimiser le partitionnement entre les différentes strates. Cette modélisation passe par le développement de plusieurs vues à différents niveaux d’abstraction: du modèle physique au modèle « haut niveau ». Elle devait permettre de répondre à différentes questions rencontrées dans le processus de conception :- le modèle physique de via basé sur une simulation électromagnétique 2D ou 3D (solveur « éléments finis ») est utilisé pour optimiser l’architecture du via (matériaux, dimensions etc.) Il permet de déterminer les performances électriques des via, notamment en haute fréquence. Les simulations électromagnétiques permettent également de quantifier le couplage entre via adjacents. - le modèle compact analytique de via et de leur couplage, basé sur une description de type ligne de transmission ou noyaux de Green, est utilisé pour les simulations au niveau bloc, ainsi que des simulations de type Spice. Les modèles analytiques sont souvent validés par rapport à des mesures et/ou des modèles physiques. / The 3D integration is the most promising technological solution to track the level of integration dictated by Moore's Law (see more than Moore, Moore versus more). It leads to important research for a dozen years. It can superimpose different circuits and components in one box. Its main advantage is to allow a combination of heterogeneous and highly specialized technologies for the establishment of a complete system, while maintaining a high level of performance with very short connections between the different circuits. The objective of this work is to provide consistent modeling via crossing, and / or contacts in the substrate, with various degrees of finesse / precision to allow the high-level designer to manage and especially to optimize the partitioning between the different strata. This modelization involves the development of multiple views at different levels of abstraction: the physical model to "high level" model. This would allow to address various issues faced in the design process: - The physical model using an electromagnetic simulation based on 2D or 3D ( finite element solver ) is used to optimize the via (materials, dimensions etc..) It determines the electrical performance of the via, including high frequency. Electromagnetic simulations also quantify the coupling between adjacent via. - The analytical compact of via their coupling model, based on a description of transmission line or Green cores is used for the simulations at the block level and Spice type simulations. Analytical models are often validated against measurements and / or physical models.

L'intégration tridimensionnels (3D) ont été couronnés de succès dans les dispositifs traditionnels pour augmenter la densité logique et réduire les distances de mouvement des données. Il résout les limites fondamentales de la mise à l'échelle, par ex. retard croissant dans les interconnexions, les coûts de développement et la variabilité. La plupart des périphériques de mémoire livrés aujourd'hui comportent une forme d'empilage de puce. Mais en raison des limites de dissipation de puissance des circuits intégrés, la fréquence de fonctionnement du MPU d'aujourd'hui a été limitée à quelques GHz. Le but de la thèse est de fournir une méthode de conception globale pour le circuit intégré 3D dans le domaine électrique, thermique, électrothermique et aussi le bruit. À cette fin, la question de recherche est la suivante: Comment réaliser la conception 3D IC, comment gérer VLS 3D IC et comment résoudre les problèmes thermiques dans le CI 3D. Dans ce contexte, les méthodes de simulation pour le substrat et également la connectivité relative (TSV, RDL, Micro strip et circuits intégrés dans le substrat) sont proposées. Afin de satisfaire la demande de recherche, un 3D-TLE et une impédance de substrat sont programmés dans Matlab, qui peut automatiquement extraire de tous les contacts; impédance, de forme arbitraire et de matière arbitraire. L'extracteur est compatible à 100% avec le simulateur de cœur SPICE et vérifié avec les résultats de mesure et les résultats de simulation FEM. Et comme pour une démo, une fréquence de 26 GHz et un filtre RF de bande passante 2GHz sont proposés dans ce travail. Un autre simulateur électrothermique est également programmé et vérifié avec ADS. En tant que solution à la dissipation thermique locale, le caloduc plat est proposé comme composant potentiel. Le modèle caloduc est vérifié avec une simulation FEM. La méthode d'analyse du bruit des substrats et les méthodes de calcul de électriques et thermo-mécanique KOZ sont également présentées. / Three Dimensional (3D) Integration and Packaging has been successful in mainstream devices to increase logic density and to reduce data movement distances. It solves the fundamental limits of scaling e.g. increasing delay in interconnections, development costs and variability. Most memory devices shipped today have some form of chip-stacking involved. But because of the power dissipation limits of ICs, today’s MPU’s operating frequency has been limited to a few GHz. The aim of the thesis is to provide a global design method for the 3D integrated circuit in electrical, thermal, electro-thermal and also noise field. To this end, the research question is as follows: How to realize the 3D IC design, how to manage VLS 3D IC and how to solve the thermal issues in the 3D IC. In this context, the simulation methods for substrate and also relative connectivity (TSV, RDL, Micro strip and circuits embedded into the substrate) are proposed. In order to satisfy the research demand, a 3D-TLE and a substrate impedance are programmed in Matlab, which can automatically extract from any contacts; impedance, of arbitrary shape and arbitrary material. The extractor is 100% compatible with SPICE core simulator, and verified with measurement results and FEM simulation results. And as for a demo, a 26 GHz frequency and 2GHz bandwidth RF filter is propose in this work. Another electro-thermal simulator is also programmed and verified with ADS. As a solution to the local heat dissipation, flat heat pipe (FHP) is proposed as a prospective component. The heat-pipe model is verified with FEM simulation. The substrates noise analysis method and electrical and thermos-mechanical keep-out-of-zone (KOZ) calculation methods are also presented.