集成电路华为杯：第五届中国研究生创芯大赛Cadence企业命题解析

三维集成电路的多层模块划分最优化算法：挑战与方法


背景与引入

当前集成电路（IC）设计的复杂性与日俱增，尤其是在多层、三维集成的应用上。模 块级划分已成为优化设计流程的关键一环，特别是在考虑空间利用率、连接成本、以及产 品的最终性能时。因此，如何有效的进行三维集成电路模块划分，成为围绕三维集成设计 的焦点之一。此次“华为杯”第五届中国研究生创芯大赛特定由Cadence企业命题，聚焦 三维集成电路的多层模块划分最优化算法。本文旨在深入探讨这一挑战性题目，突出其背景、需求与挑战，并提供针对性解决方案。

三维集成电路与模块划分挑战概述


实例与结构理解

三维集成电路通过将单个或多个裸片（die）通过堆叠方式简化设计复杂度同时减少空间需求。我们需要理解电路如何被划分并将模块分配至不同裸片上。这一过程重点关注于减少连接方面的面积需求并优化多层之间的信号传输路径，例如TSV（Through Silicon Via）。




工艺与约束机制

三维交易所带来的独特技术难题要求团队综合考虑模块之间的物理连接、TSV利用率以及各裸片之间的面积分配。TSV技术虽然提供了通往不同裸片的信号传输通道，却也增加了额外的制造复杂度和成本消耗。因此，设计算法时应充分考虑TSV配置、Bump（凸点）数量限制和总线路径简化等约束条件。

精确构筑算法的核心需求


目标与优化挑战

当前算法追求在满足绝对面积限制条件下，尽可能均匀分配模块到各裸片上，保证总面积利用率接近一致。同时，实际实现中也要将紧密连接分布的模块尽量靠近，减少跨层互联线缆的占用面积，这将缓解总线路径优化与大面积利用率之间的矛盾。

关键决策模式

算法需找到平衡点，在处理设备级别的精确连接时高效执行。比如，在最初假设的实例是设计人员遇到常见问题的单层划分应用。在多层环境中的扩展，特别是跨层级信号导通（Feedthrough）诱发的额外TSV需求，是算法的一大特殊考量之处。引入TSV的划分策略不仅需要深入理解逻辑上独立的模块及其在三维空间中的布局，还需将外形变化和垂直划分界限包括在内。

最具挑战性的问题与创新亮点


附加题目的延伸

挑战在于同时考虑模块布局、净线长（Speedsensitive signal）与计算效率。这一题目的提出不仅强调形式上的组织优化，更是激励解决方案向更为高效、易于实现的方向发展。

扩展维度：模块布局与总线长

针对基本题目的额外延伸，提出了在考虑模块格局与布局问题的基础上，寻求优化信号总线长度的目标。这要求设计算法在满足硬件结构层次划分的同时，考虑到特定布局规则下各模块间的信号传输路径最短化，推动面向全局优化的算法定制模版发展。

结语：展望未来与合作求进


Cadence的技术贡献与行业地位

Cadence，作为世界领先的电子设计解决方案的领导者，为此次主题竞赛提供了关键算法调优及硬件实现平台支持。拥有超过30年在计算软件领域的专业积累，并基于创新性设计策略，驱动从软件、硬件和IP的高效、创新交付，将复杂的设计概念转化为现实，为消费电子产品、高性能计算、5G通信到汽车、航空、工业及医疗领域内的现代化电子产品实现跨越性的性能飞跃。

“中国研究生创芯大赛”的价值与使命

此大赛为各领域中国研究生提供了一个珍贵的展示创新与挑战极限的交流平台，旨在培养一批在集成电路及创新应用方面的大师级创新人才，针对当前IC设计中亟待解决的关键技术进行了全方位、深入的研究，寄托着引领未来行业发展趋势的重要使命，同时也是推动我国在全球集成电路科技领域中成长为创新驱动力的心声。

通过此次命题设计的解读，我们更加清晰地认识到集多元挑战和深入探索为一体的问题情景，其中不仅触及传统设计实践的需求痛点，还瞄准了未来技术趋势的关键点。面对这样的挑战，团队将携手运用智能计算与工程创新方法，矢志不渝地在尺寸、性能、成本与设计者效率间寻找最优解，展示了在日益壮大的产学研联合生态系统中共创、共享、协同与革新的巨大可能性。