Interconnect Planning for Physical Design of 3D Integrated Circuits

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 BibliographyDreidimensional 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 Bibliograph

Layoutautomatisierung im analogen IC-Entwurf mit formalisiertem und nicht-formalisiertem Expertenwissen

After more than three decades of electronic design automation, most layouts for analog integrated circuits are still handcrafted in a laborious manual fashion today. Obverse to the highly automated synthesis tools in the digital domain (coping with the quantitative difficulty of packing more and more components onto a single chip – a desire well known as More Moore), analog layout automation struggles with the many diverse and heavily correlated functional requirements that turn the analog design problem into a More than Moore challenge. Facing this qualitative complexity, seasoned layout engineers rely on their comprehensive expert knowledge to consider all design constraints that uncompromisingly need to be satisfied. This usually involves both formally specified and nonformally communicated pieces of expert knowledge, which entails an explicit and implicit consideration of design constraints, respectively. Existing automation approaches can be basically divided into optimization algorithms (where constraint consideration occurs explicitly) and procedural generators (where constraints can only be taken into account implicitly). As investigated in this thesis, these two automation strategies follow two fundamentally different paradigms denoted as top-down automation and bottom-up automation. The major trait of top-down automation is that it requires a thorough formalization of the problem to enable a self-intelligent solution finding, whereas a bottom-up automatism –controlled by parameters– merely reproduces solutions that have been preconceived by a layout expert in advance. Since the strengths of one paradigm may compensate the weaknesses of the other, it is assumed that a combination of both paradigms –called bottom-up meets top-down– has much more potential to tackle the analog design problem in its entirety than either optimization-based or generator-based approaches alone. Against this background, the thesis at hand presents Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM), an interdisciplinary methodology addressing the design problem with a decentralized multi-agent system. Its basic principle, similar to the roundup of a sheep herd, is to let responsive mobile layout modules (implemented as context-aware procedural generators) interact with each other inside a user-defined layout zone. Each module is allowed to autonomously move, rotate and deform itself, while a supervising control organ successively tightens the layout zone to steer the interaction towards increasingly compact (and constraint compliant) layout arrangements. Considering various principles of self-organization and incorporating ideas from existing decentralized systems, SWARM is able to evoke the phenomenon of emergence: although each module only has a limited viewpoint and selfishly pursues its personal objectives, remarkable overall solutions can emerge on the global scale. Several examples exhibit this emergent behavior in SWARM, and it is particularly interesting that even optimal solutions can arise from the module interaction. Further examples demonstrate SWARM’s suitability for floorplanning purposes and its application to practical place-and-route problems. The latter illustrates how the interacting modules take care of their respective design requirements implicitly (i.e., bottom-up) while simultaneously paying respect to high level constraints (such as the layout outline imposed top-down by the supervising control organ). Experimental results show that SWARM can outperform optimization algorithms and procedural generators both in terms of layout quality and design productivity. From an academic point of view, SWARM’s grand achievement is to tap fertile virgin soil for future works on novel bottom-up meets top-down automatisms. These may one day be the key to close the automation gap in analog layout design.Nach mehr als drei Jahrzehnten Entwurfsautomatisierung werden die meisten Layouts für analoge integrierte Schaltkreise heute immer noch in aufwändiger Handarbeit entworfen. Gegenüber den hochautomatisierten Synthesewerkzeugen im Digitalbereich (die sich mit dem quantitativen Problem auseinandersetzen, mehr und mehr Komponenten auf einem einzelnen Chip unterzubringen – bestens bekannt als More Moore) kämpft die analoge Layoutautomatisierung mit den vielen verschiedenen und stark korrelierten funktionalen Anforderungen, die das analoge Entwurfsproblem zu einer More than Moore Herausforderung machen. Angesichts dieser qualitativen Komplexität bedarf es des umfassenden Expertenwissens erfahrener Layouter um sämtliche Entwurfsconstraints, die zwingend eingehalten werden müssen, zu berücksichtigen. Meist beinhaltet dies formal spezifiziertes als auch nicht-formal übermitteltes Expertenwissen, was eine explizite bzw. implizite Constraint Berücksichtigung nach sich zieht. Existierende Automatisierungsansätze können grundsätzlich unterteilt werden in Optimierungsalgorithmen (wo die Constraint Berücksichtigung explizit erfolgt) und prozedurale Generatoren (die Constraints nur implizit berücksichtigen können). Wie in dieser Arbeit eruiert wird, folgen diese beiden Automatisierungsstrategien zwei grundlegend unterschiedlichen Paradigmen, bezeichnet als top-down Automatisierung und bottom-up Automatisierung. Wesentliches Merkmal der top-down Automatisierung ist die Notwendigkeit einer umfassenden Problemformalisierung um eine eigenintelligente Lösungsfindung zu ermöglichen, während ein bottom-up Automatismus –parametergesteuert– lediglich Lösungen reproduziert, die vorab von einem Layoutexperten vorgedacht wurden. Da die Stärken des einen Paradigmas die Schwächen des anderen ausgleichen können, ist anzunehmen, dass eine Kombination beider Paradigmen –genannt bottom-up meets top down– weitaus mehr Potenzial hat, das analoge Entwurfsproblem in seiner Gesamtheit zu lösen als optimierungsbasierte oder generatorbasierte Ansätze für sich allein. Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Arbeit Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM) vor, eine interdisziplinäre Methodik, die das Entwurfsproblem mit einem dezentralisierten Multi-Agenten-System angeht. Das Grundprinzip besteht darin, ähnlich dem Zusammentreiben einer Schafherde, reaktionsfähige mobile Layoutmodule (realisiert als kontextbewusste prozedurale Generatoren) in einer benutzerdefinierten Layoutzone interagieren zu lassen. Jedes Modul darf sich selbständig bewegen, drehen und verformen, wobei ein übergeordnetes Kontrollorgan die Zone schrittweise verkleinert, um die Interaktion auf zunehmend kompakte (und constraintkonforme) Layoutanordnungen hinzulenken. Durch die Berücksichtigung diverser Selbstorganisationsgrundsätze und die Einarbeitung von Ideen bestehender dezentralisierter Systeme ist SWARM in der Lage, das Phänomen der Emergenz hervorzurufen: obwohl jedes Modul nur eine begrenzte Sichtweise hat und egoistisch seine eigenen Ziele verfolgt, können sich auf globaler Ebene bemerkenswerte Gesamtlösungen herausbilden. Mehrere Beispiele veranschaulichen dieses emergente Verhalten in SWARM, wobei besonders interessant ist, dass sogar optimale Lösungen aus der Modulinteraktion entstehen können. Weitere Beispiele demonstrieren SWARMs Eignung zwecks Floorplanning sowie die Anwendung auf praktische Place-and-Route Probleme. Letzteres verdeutlicht, wie die interagierenden Module ihre jeweiligen Entwurfsanforderungen implizit (also: bottom-up) beachten, während sie gleichzeitig High-Level-Constraints berücksichtigen (z.B. die Layoutkontur, die top-down vom übergeordneten Kontrollorgan auferlegt wird). Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Optimierungsalgorithmen und prozedurale Generatoren von SWARM sowohl bezüglich Layoutqualität als auch Entwurfsproduktivität übertroffen werden können. Aus akademischer Sicht besteht SWARMs große Errungenschaft in der Erschließung fruchtbaren Neulands für zukünftige Arbeiten an neuartigen bottom-up meets top-down Automatismen. Diese könnten eines Tages der Schlüssel sein, um die Automatisierungslücke im analogen Layoutentwurf zu schließen

EG-ICE 2021 Workshop on Intelligent Computing in Engineering

The 28th EG-ICE International Workshop 2021 brings together international experts working at the interface between advanced computing and modern engineering challenges. Many engineering tasks require open-world resolutions to support multi-actor collaboration, coping with approximate models, providing effective engineer-computer interaction, search in multi-dimensional solution spaces, accommodating uncertainty, including specialist domain knowledge, performing sensor-data interpretation and dealing with incomplete knowledge. While results from computer science provide much initial support for resolution, adaptation is unavoidable and most importantly, feedback from addressing engineering challenges drives fundamental computer-science research. Competence and knowledge transfer goes both ways

EG-ICE 2021 Workshop on Intelligent Computing in Engineering

The 28th EG-ICE International Workshop 2021 brings together international experts working at the interface between advanced computing and modern engineering challenges. Many engineering tasks require open-world resolutions to support multi-actor collaboration, coping with approximate models, providing effective engineer-computer interaction, search in multi-dimensional solution spaces, accommodating uncertainty, including specialist domain knowledge, performing sensor-data interpretation and dealing with incomplete knowledge. While results from computer science provide much initial support for resolution, adaptation is unavoidable and most importantly, feedback from addressing engineering challenges drives fundamental computer-science research. Competence and knowledge transfer goes both ways