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电动汽车驱动
★ 4.0
Omni 3D:支持无处不在供电、信号与时钟的BEOL兼容三维逻辑
Omni 3D: BEOL-Compatible 3-D Logic With Omnipresent Power, Signal, and Clock
| 作者 | Suhyeong Choi · Carlo Gilardi · Paul Gutwin · Robert M. Radway · Tathagata Srimani · Subhasish Mitra |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | Omni 3D 3D堆叠器件架构 路由灵活性 设计技术协同优化 能量延迟积 |
语言:
中文摘要
本文介绍了 Omni 3D——一种由与后段制程(BEOL)兼容的晶体管自然实现的三维堆叠器件架构。Omni 3D 将金属层与三维堆叠的 n 沟道场效应晶体管(nFET)和 p 沟道场效应晶体管(pFET)交错排列。因此,信号和电源布线层能够从各个方向细粒度地访问场效应晶体管(FET)有源区,从而最大限度地提高了三维标准单元设计的灵活性。这与背面电源分配网络(BSPDN)、互补场效应晶体管(CFET)和堆叠场效应晶体管等方法形成了鲜明对比。重要的是,Omni 3D 的布线灵活性分别通过用于单元间和单元内布线的双面金属和交错金属(IM)实现。在这项工作中,我们探索了 Omni 3D 的不同变体(例如,有和没有 IM 的情况),并使用虚拟源 BEOL - FET 紧凑模型对这些变体进行了优化。我们建立了一种能够有效利用 Omni 3D 双面布线的物理设计流程,并针对多个设计点对 Omni 3D 器件架构进行了全面的设计技术协同优化(DTCO)。根据我们的设计流程,与采用 BSPDN 的最先进 CFET 相比,我们预计在基准电路中能量延迟积(EDP)平均提高 2.0 倍,面积平均减少 1.5 倍。
English Abstract
This article presents Omni 3D—a 3-D-stacked device architecture that is naturally enabled by back-end-of-line (BEOL)-compatible transistors. Omni 3D interleaves metal layers with 3-D-stacked nFETs and pFETs. Thus, the signal and power routing layers have fine-grained, all-sided access to the field-effect transistor (FET) active regions maximizing 3-D standard cell design flexibility. This is in sharp contrast to approaches such as back-side power delivery network (BSPDN), complementary FETs (CFETs), and stacked FETs. Importantly, the routing flexibility of Omni 3D is enabled by double-side metal and interleaved metal (IM) for inter- and intracell routing, respectively. In this work, we explore Omni 3D variants (e.g., both with and without the IM) and optimize these variants using a virtual-source BEOL-FET compact model. We establish a physical design flow that efficiently uses the double-side routing in Omni 3D and perform a thorough design technology co-optimization (DTCO) of Omni 3D device architecture on several design points. From our design flow, we project 2.0 improvement in the energy-delay product (EDP) and 1.5 reduction in area on average across our benchmark circuits compared with the state-of-the-art CFETs with BSPDN.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,Omni 3D三维集成芯片架构技术为我们的核心产品带来了重要的性能提升机遇。该技术通过后端工艺兼容的三维晶体管堆叠,实现了2倍能效延迟积(EDP)改进和1.5倍面积缩减,这对光伏逆变器和储能系统的功率控制芯片具有直接价值。
在光伏逆变器领域,我们的MPPT算法、并网控制和功率变换等核心功能对芯片的实时计算能力和能效要求极高。Omni 3D架构通过全方位的电源、信号和时钟布线优化,能够显著降低芯片功耗并提升运算速度,这将直接转化为逆变器效率的提升和散热成本的降低。特别是在大功率集中式逆变器中,控制芯片的能效提升1%即可带来可观的系统级效益。
对于储能系统的BMS和EMS控制器,该技术的高集成度优势尤为突出。更小的芯片面积意味着可以在有限空间内集成更多功能模块,实现更精细的电池管理和能量调度算法。双面金属布线和交错金属层设计提供的布线灵活性,也有利于我们开发更复杂的多核并行控制架构。
然而,需要客观评估的是,Omni 3D技术目前仍处于学术研究阶段,距离商业化量产尚有距离。BEOL兼容晶体管的可靠性、良率控制以及与现有供应链的适配性都是潜在挑战。建议我们与领先的半导体制造商建立战略合作,跟踪该技术的产业化进程,适时在定制ASIC芯片开发中引入相关设计理念,为下一代高性能新能源电力电子产品做好技术储备。