CN109117318B - 基于分区的tsv聚簇故障容错系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于超大规模集成电路技术领域，提供了一种基于区分的TSV聚簇故障容错系统及方法，系统包括：由四个M*N的路由模块阵列一组成，四个路由模块阵列一组成一个4M*N的路由模块阵列二；路由模块阵列一由(M*N‑1)个路由模块一、及一个路由模块二组成，路由模块二设于路由模块阵列一的临接边界；路由模块一由STSV、信号及路由开关组成，路由开关用于连接STSV与信号；路由模块二由RTSV及路由开关组成。相对于路由容错方法，在保证良率的前提下，会使用更少的冗余TSV，使得面积开销大大节省；由于各区域均分配了冗余TSV，修复路径相对短，意味着时序开销更短；对于特定的聚簇区域，提供信号转移的方向选择更多，保证更高的容错能力，提升3D芯片良率。

Description

基于分区的TSV聚簇故障容错系统及方法

技术领域

本发明属于超大规模集成电路技术领域，提供了一种基于区分的TSV聚簇故障容错系统及方法。

背景技术

随着CMOS工艺节点逐渐接近物理极限，摩尔定律正式走向了终结。三维集成电路(3DIC)技术的出现为半导体行业的发展提供了新的动力，近些年成为了业界的研究热点。3DIC技术利用硅通孔(TSV)在垂直方向上将多个堆叠的裸片进行互连，具有高性能、高带宽、低功耗且支持异构集成等优点。同时基于TSV的3DIC技术也面临着制造工艺、3DIC测试、热管理、互连设计和CAD算法与工具等方面的新的挑战。

3D芯片在制造过程中容易产生缺陷，在堆叠过程中也会由于不对齐绑定、应力等因素引起TSV缺陷，TSV的堆叠质量不仅取决于堆叠工艺技术，还受硅片本身粗糙度和清洁度的影响。一旦堆叠过程中某个TSV产生缺陷，其周围的TSV也很有可能产生缺陷，TSV的缺陷呈现聚簇分布，影响3D芯片的良率及可靠性。

三星公司提出了一种信号切换的冗余策略可以有效提升3D DRAM良率。6个TSV作为一组，每一组使用多路开关选择其中4个TSV用于信号传输，剩余2个TSV用于冗余，冗余比为4：2，该方法可以容忍任何一个或两个TSV发生故障。而基于信号转移的容错结构，它在每个TSV块中添加1个冗余TSV形成一个TSV链。那么，原来经由某故障TSV传输的信号可以通过邻近TSV传输，因此它可以容忍TSV块中的某一个TSV发生故障。

基于交叉开关的冗余结构用于3D片上网络的容错。冗余TSV添加到TSV阵列(路由模块阵列)的行或列，连接故障TSV的信号可以经由交叉开关实现转移，这种方法可以容忍行或列中任意一个TSV发生故障。

上述方法都可以在一定程度上实现3D芯片良率的提升，但这些方法都假设TSV故障是均匀分布的(各TSV故障彼此独立)，采用邻近TSV实现信号的转移。但实际上，由于聚簇效应的存在，故障TSV的邻近TSV也是很大概率上发生故障的，那么简单通过旁边TSV转移信号就显得不那么可行了。

针对TSV聚簇故障的容错方案，研究甚少，现有主要有基于路由的TSV容错方法，基于路由的TSV容错方法将冗余TSV放置于TSV阵列边缘，当TSV阵列规模较大时，冗余TSV的数目会很多，而单个TSV的面积较大，故该方法面积开销过大。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于分区的TSV聚簇故障容错系统，旨在解决基于路由的TSV容错方法需要插入的冗余TSV的数目多，面积开销过大的问题。

本发明是这样实现的，一种基于分区的TSV聚簇故障容错系统，所述系统包括：

由四个M*N的路由模块阵列一组成，四个路由模块阵列一组成一个2M*2N的路由模块阵列二；

路由模块阵列一由(M*N-1)个路由模块一、及一个路由模块二组成，路由模块二设于路由模块阵列一的临接边界；

路由模块一由STSV、信号及路由开关组成，路由开关用于连接STSV与信号；

路由模块二由RTSV及路由开关组成。

进一步的，路由模块一中的路由开关内设有3个MUX，

当路由开关位于RTSV所在行或RTSV所在列，且不处于路由模块阵列一的边界时，配置3个4-to-1MUX；

当路由开关位于路由模块阵列一的边界，且不位于RTSV所在行及RTSV所在列时，配置3个2-to-1MUX；

当路由开关位于路由模块阵列一的内部时，配置3个3-to-1MUX。

本发明是这样实现的，一种述基于分区的TSV聚簇故障容错方法，该方法包括如下步骤：

S1检测各路由模块阵列一中的故障TSV，并将故障TSV放入对应的故障TSV集合，将冗余TSV放入冗余TSV集合；

S2、在存在故障STSV的路由模块阵列一中添加超级源节点，超级源节点用于连接对应路由模块阵列一中的所有故障STSV，同时添加一个超级目标节点，超级目标节点连接所有的RTSV；

S4、查找从超级源节点到超级目的节点的增广路径p；

S5、当故障STSV数目小于等于RTSV数目，且存在路径长度不超过预设长度的增广路径时，判定为容忍所述聚簇TSV故障。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、相对于路由容错方法，在保证良率的前提下，本发明将会使用更少的冗余TSV，使得面积开销大大节省；

2、由于各区域均分配了冗余TSV，本发明修复路径相对短，意味着时序开销更短；

3、对于特定的聚簇区域，本发明提供信号转移的方向选择更多，保证更高的容错能力，提升3D芯片良率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于分区的TSV聚簇故障容错系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的路由开关a至路由开关f间的信号流向示意图；

图3为本发明实施例提供的图中2中区域A的局部放大图；

图4为本发明实施例提供的额基于分区的TSV聚簇故障容错方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的基于分区的TSV聚簇故障容错方法可以容忍TSV聚簇故障，不同于以往现有技术中将冗余TSV放置于路由模块阵列二的边缘，该方法将整个路由模块阵列均匀划分成4个区域，即4个路由模块阵列一，然后在每个区域的邻接边界上分别添加一个冗余TSV。

图1为本发明实施例提供的基于分区的TSV聚簇故障容错系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出于本发明实施例相关的部分。

该系统包括：

由四个M*N(其中，N的取值可以与M相同，或者与M不相同)的路由模块阵列一组成，四个路由模块阵列一组成一个2M*2N的路由模块阵列二；

路由模块阵列一由(M*N-1)个路由模块一，及一个路由模块二组成，路由模块二设于路由模块阵列一的临接边界，临接边界是指边界所在侧存在路由模块阵列一；

路由模块一由STSV、信号及路由开关组成，路由开关用于连接STSV与信号；STSV为信号TSV(Signal TSV)；

路由模块二由RTSV及路由开关组成，RTSV为冗余TSV(Redundant TSV)。

在本发明实施例中，路由模块一中的路由开关内设有3个MUX(多路复用器)，

当路由开关位于RTSV所在行或RTSV所在列，且不处于路由模块阵列一的边界时，配置3个4-to-1MUX，其中，4-to-1MUX是指四进一出的多路复用器；

当路由开关位于路由模块阵列一的边界，且不位于RTSV所在行及RTSV所在列时，配置3个2-to-1MUX，其中，2-to-1MUX是指两进一出的多路复用器；

当路由开关位于路由模块阵列一的内部时，配置3个3-to-1MUX，其中，3-to-1MUX是指三进一出的多路复用器。

信号为路由模块一的信号起点，通过路由开关中的3个MUX选择传输路径，其中2个MUX用于转移到相邻TSV，另一个MUX用于连接本地信号，即传输至本地TSV。

本发明具体以1个8*8的路由模块阵列二为例进行说明，如图1所示，将8*8的路由模块阵列二分成四个路由模块一，即图1中的四个区域，I区、II区、III区和IV区，冗余TSV设于四个区域两临接边界的交点处，即I区的右下角，II区的左下角，III区的右上角，IV区的左上角，因此I区的路由方向可以设置为由西向东、由北向南，II区的路由方向为由东向西、由北向南；III区路由方向由西向东、由南向北；IV区路由方向由东向西、由南向北。

上述四个区域中的STSV都有2个路由方向用于信号转移，因而这些信号TSV对应的路由开关都包括3个MUX：其中2个用于转移到相邻TSV，另一个用于连接本地信号。另外，分布在RTSV的同行或同列，且不在路由模块阵列一边界的信号TSV配有4-to-1MUX。位于路由模块阵列一边界，但不处于RTSV同行或同列的信号TSV则连接2-to-1MUX，其余的信号TSV均连接到3-to-1MUX，图2为本发明实施例提供的路由开关a至路由开关f间的信号流向示意图，图3为本发明实施例提供的图中2中区域A的局部放大图；

图4为本发明实施例提供的额基于分区的TSV聚簇故障容错方法流程图，该方法包括如下步骤：

S1检测各路由模块阵列一中的故障TSV，并将故障TSV放入对应的故障TSV集合，将冗余TSV放入冗余TSV集合；

S2、在存在故障STSV的路由模块阵列一中添加超级源节点，超级源节点用于连接对应路由模块阵列一中的所有故障STSV，同时添加一个超级目标节点，超级目标节点连接所有的RTSV；

S4、查找从超级源节点到超级目的节点的增广路径p；

S5、当故障STSV数目小于等于RTSV数目，且存在路径长度不超过预设长度的增广路径时，判定为容忍所述聚簇TSV故障。

在本发明实施例中，将路由模块阵列一当作一个有向图G(V,E),V是阵列各TSV及相关路由开关的集合，E代表连接两个节点边的集合，单位容量为1。若故障TSV及RTSV的数目均大于1，那么整个路由模块阵列一可以看作是1个多源多目标的网络，添加一个超级源节点S指向将所有的故障TSV，并将所有的RTSV汇聚成一个超级目标节点T，那么路由模块阵列一将转化成单源单目标网络；

修复路径的构建，输入G(V,E)、故障TSV集合{FTSV}和冗余TSV集合{RTSV}；输出修复路径RE。首先，初始化流图并将其保存在队列中。经过TSV测试，将得到故障TSV集合，添加超级源源节点S和超级目标节点T，分别连接所有故障TSV和RTSV，对于流图中的每条边均初始化为0，然后，从源节点到目的节点寻找增广路径p，通过将时序开销转换成修复路径长度，可以判断是否发生时序违规，当故障TSV数目小于等于冗余TSV数目，且存在增广路径长度不超过预设长度时，认为容忍该聚簇TSV故障，而找到的增广路径即代表修复路径。如果发生时序违规，即增广路径长度均超过预设长度时，则认为不可容忍该聚簇TSV故障，或者说故障TSV数目大于冗余TSV数目，则认为不可容忍该聚簇TSV故障，路径修复算法如表1所示：

表1路径修复算法

将各路由模块阵列二划均分为四个区域(路由模块阵列一)，在每个区域的临接边界处分别添加一个冗余TSV，当STSV故障发生聚簇时，各区域通过搜索从故障STSV指向冗余TSV的修复路径实现TSV聚簇故障容错；当某个STSV发生故障时，修复路径上所有信号都要转移到邻近的STSV，直到最后一个信号转移到冗余TSV上，而每次转移过程都会引入额外的时序延迟开销,但是分区的TSV聚簇故障容错方法，通过插入冗余TSV使得修复路径相对变短，进而保证较小的时序开销；提高容错能力高，良率可以达到99.88％，可以容忍TSV发生聚簇的错误以提升3D芯片良率。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、相对于路由容错方法，在保证良率的前提下，本发明将会使用更少的冗余TSV，使得面积开销大大节省；

2、由于各区域均分配了冗余TSV，本发明修复路径相对短，意味着时序开销更短；

3、对于特定的聚簇区域，本发明提供信号转移的方向选择更多，保证更高的容错能力，提升3D芯片良率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于分区的TSV聚簇故障容错系统，其特征在于，所述系统包括：

由四个M*N的路由模块阵列一组成，四个路由模块阵列一组成一个2M*2N的路由模块阵列二；

路由模块阵列一由(M*N-1)个路由模块一、及一个路由模块二组成，路由模块二设于四个路由模块阵列一的边界；

路由模块一由STSV、信号及路由开关组成，路由开关用于连接STSV与信号；

路由模块二由RTSV及路由开关组成。

2.一种如权利要求1所述基于分区的TSV聚簇故障容错系统，其特征在于，路由模块一中的路由开关内设有3个MUX，

当路由开关位于RTSV所在行或RTSV所在列，且不处于路由模块阵列一的边界时，配置3个4-to-1MUX；

当路由开关位于路由模块阵列一的边界，且不位于RTSV所在行及RTSV所在列时，配置3个2-to-1MUX；

当路由开关位于路由模块阵列一的内部时，配置3个3-to-1MUX。

3.一种基于权利要求1至2任一权利要求所述基于分区的TSV聚簇故障容错系统的容错方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、检测各路由模块阵列一中的故障TSV，并将故障TSV放入对应的故障TSV集合，将冗余TSV放入冗余TSV集合；

S2、在存在故障STSV的路由模块阵列一中添加超级源节点，超级源节点用于连接对应路由模块阵列一中的所有故障STSV，同时添加一个超级目标节点，超级目标节点连接所有的RTSV；

S4、查找从超级源节点到超级目的节点的增广路径p；

S5、当故障STSV数目小于等于RTSV数目，且存在路径长度不超过预设长度的增广路径时，判定为容忍所述聚簇TSV故障。

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