Ces dernières décennies, l'industrie en microélectronique s'est astreinte à suivre la loi de Moore pour améliorer la performance des circuits intégrés (Integrated Circuit, IC). Cependant, il sera sans doute impossible de suivre cette loi dans le futur à cause de limitations physiques apparaissant avec la miniaturisation des transistors en-dessous d'un certain seuil si aucune innovatio n'a lieu. Afin de surmonter ce problème, de nouvelles technologies ont émergées, et parmi elles les circuits 3D (3D-Stacked Integrated Circuit, 3D-SIC) ont été proposés pour maintenir l'évolution de la loi de Moore. Les 3D-SIC peuvent apporter de nombreux avantages dans le design des futurs IC mais au coût d'une complexité de design accrue étant donné leur nature fortement combinatoire, et l'optimisation de plusieurs critères conflictuels. Dans cette thèse, nous présentons une première étude des outils qui pourraient aider dans le design de 3D-SIC, en utilisant l'optimisation multi-objectifs (multiobjective optimization, MOO) et l'aide multicritère à la décision (multi-criteria decision aid, MCDA). Notre étude vise l'une des problématiques principales dans le design de 3D-SIC: le partitionnement avec estimation du floorplanning en tenant compte de plusieurs objectifs. Cette thèse montre que l'utilisation d'un paradigme multicritère peut fournir une analyse pertinente et objective du problème. Cela peut permettre une exploration rapide de l'espace de design et une amélioration des flots de conception actuels étant donné qu'il est possible de fournir des informations qualitatives et quantitatives par rapport à l'espace de design qui ne seraient pas disponibles avec les outils actuels. De même, de par sa flexibilité, la MOO peut tenir compte des multiples degrés de liberté des 3D-SIC, ce qui permet plus de possibilités de design qui ne sont généralement pas prises en compte avec les outils actuels. De plus, les algorithmes développés peuvent montrer des propriétés de robustesse même si le problème est complexe. Enfin, appliquer l'aide multicritère à la décision pourrait permettre aux designers de faire des choix pertinents selon un processus transparent. / In the past decades, the microelectronic industry has been following the Moore's law to improve the performance of integrated circuits (IC). However, it will probably be impossible to follow this law in the future due to physical limitations appearing with the miniaturization of the transistors below a certain threshold without innovation. In order to overcome this problem, new technologies have emerged, and among them the 3D-Stacked Integrated Circuits (3D-SIC) have been proposed to keep the Moore's momentum alive. 3D-SICs can bring numerous advantages in the design of future ICs but at the cost of additional design complexity due to their highly combinatorial nature, and the optimization of several conflicting criteria. In this thesis, we present a first study of tools that can help the design of 3D-SICs, using mutiobjective optimization (MOO) and multi-criteria decision aid (MCDA). Our study has targeted one of the main issues in the design of 3D-SICs: the partitioning with floorplanning estimation under multiple objectives. This thesis shows that the use of a multi-criteria paradigm can provide relevant and objective analysis of the problem. This can allow a quick design space exploration and an improvement of the current design flows as it is possible to provide qualitative and quantitative information about a design space, that would not be available with current tools. Also, with its flexibility, MOO can cope with the multiple degrees of freedom of 3D-SICs, which enables more design possibilities that are usually not taken into account with current tools. In addition, the developed algorithms can show robustness properties even if the problem is complex. Finally, applying multi-criteria decision aid would allow designers to make relevant choices in a transparent process. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'intégration 3DVLSI, également connue sous le nom d'intégration monolithique ou séquentielle, est présentée et évaluée dans cette thèse comme une alternative à la réduction du nœud technologique des circuits logiques CMOS. L’avantage principal de cette technologie par rapport à l'intégration parallèle 3D, déjà existante, est l'alignement précis entre les niveaux, ce qui permet des contacts 3D réduits et plus proches. Un autre avantage, extrêmement favorable à l’approche 3DVLSI, est l’amélioration du placement et du routage par rapport aux circuits planaires, notamment parce qu’elle permet des interconnexions plus courtes et qu’elle offre a un degré de liberté supplémentaire dans la direction Z pour la conception. Par exemple, les fils les plus longs dans les circuits planaires peuvent ainsi être réduits grâce aux contacts 3DCO, en diminuant les éléments parasites d'interconnexion. Il est ainsi possible d’augmenter la vitesse du circuit et de réduire la puissance électrique. Dans ce contexte, la thèse a été divisée en deux parties. La première partie traite de l’évaluation de la Consommation, des Performances et de la Surface (CPS) et donne des recommandations pour la conception des circuits 3D. La deuxième partie traite la variabilité des circuits 3D en utilisant un modèle statistique unifié, et en proposant une approche pour la variabilité des circuits multi-niveaux. / 3DVLSI integration, also known as monolithic or sequential integration is presented and evaluated in this thesis as a potential contender to continue the scaling for CMOS logic circuits. The main advantage of this technology compared to the already existing 3D parallel integration is its high alignment among tiers, enabling small size and pitch with the inter-tier contacts (3DCO). Another great 3DVLSI feature is its improved capability to place and route circuits, compared to the planar approach: the interconnections can be shorter as the design has an additional degree of freedom in the Z direction. For instance, long wires in planar circuits can cut thanks to 3DCO contacts, lowering the interconnection parasitic elements and speeding up the circuit as well as reducing the power. In this framework, the thesis has been divided into two parts: the first part is dedicated to the evaluation of Performance, Power and Area (PPA) of 3D circuits and gives design guidelines. The second part treats the variability in 3D circuits by using a 3D unified statistical model and propose an approach for the multi-tier variability.

Vertical stacking—based on modern manufacturing and integration technologies—of multiple 2D chips enables three-dimensional integrated circuits (3D ICs). This exploitation of the third dimension is generally accepted for aiming at higher packing densities, heterogeneous integration, shorter interconnects, reduced power consumption, increased data bandwidth, and realizing highly-parallel systems in one device. However, the commercial acceptance of 3D ICs is currently behind its expectations, mainly due to challenges regarding manufacturing and integration technologies as well as design automation. This work addresses three selected, practically relevant design challenges: (i) increasing the constrained reusability of proven, reliable 2D intellectual property blocks, (ii) planning different types of (comparatively large) through-silicon vias with focus on their impact on design quality, as well as (iii) structural planning of massively-parallel, 3D-IC-specific interconnect structures during 3D floorplanning. A key concept of this work is to account for interconnect structures and their properties during early design phases in order to support effective and high-quality 3D-IC-design flows. To tackle the above listed challenges, modular design-flow extensions and methodologies have been developed. Experimental investigations reveal the effectiveness and efficiency of the proposed techniques, and provide findings on 3D integration with particular focus on interconnect structures. We suggest consideration of these findings when formulating guidelines for successful 3D-IC design automation.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliography / Dreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) beruhen auf neuartigen Herstellungs- und Integrationstechnologien, wobei vor allem “klassische” 2D-ICs vertikal zu einem neuartigen 3D-System gestapelt werden. Dieser Ansatz zur Erschließung der dritten Dimension im Schaltkreisentwurf ist nach Expertenmeinung dazu geeignet, höhere Integrationsdichten zu erreichen, heterogene Integration zu realisieren, kürzere Verdrahtungswege zu ermöglichen, Leistungsaufnahmen zu reduzieren, Datenübertragungsraten zu erhöhen, sowie hoch-parallele Systeme in einer Baugruppe umzusetzen. Aufgrund von technologischen und entwurfsmethodischen Schwierigkeiten bleibt jedoch bisher die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. In dieser Arbeit werden drei ausgewählte, praktisch relevante Problemstellungen der Entwurfsautomatisierung von 3D-ICs bearbeitet: (i) die Verbesserung der (eingeschränkten) Wiederverwendbarkeit von zuverlässigen 2D-Intellectual-Property-Blöcken, (ii) die komplexe Planung von verschiedenartigen, verhältnismäßig großen Through-Silicion Vias unter Beachtung ihres Einflusses auf die Entwurfsqualität, und (iii) die strukturelle Einbindung von massiv-parallelen, 3D-IC-spezifischen Verbindungsstrukturen während der Floorplanning-Phase. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Verbindungsstrukturen mit deren wesentlichen Eigenschaften bereits in den frühen Phasen des Entwurfsprozesses zu berücksichtigen. Dies begünstigt einen qualitativ hochwertigen Entwurf von 3D-ICs. Die in dieser Arbeit vorgestellten modularen Entwurfsprozess-Erweiterungen bzw. -Methodiken dienen zur effizienten Lösung der oben genannten Problemstellungen. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit sowie die Effektivität der erarbeiten Methoden. Darüber hinaus liefern sie praktische Erkenntnisse bezüglich der Anwendung von 3D-ICs und der Planung deren Verbindungsstrukturen. Diese Erkenntnisse sind zur Ableitung von Richtlinien für den erfolgreichen Entwurf von 3D-ICs dienlich.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliography