基于碳纳米管的三维芯片中布局布线方法研究

论文摘要

随着集成电路的发展，互连线受到芯片规模增大、工艺尺寸下降和工作频率提升等多种因素的影响，出现了性能和可靠性降低的问题，并已成为阻碍集成电路进一步发展的主要障碍。近年来，碳纳米管技术和三维集成技术作为解决这些问题的热门技术得到了工业界和学术界的广泛关注，并有望成为下一代集成电路的主流技术，使摩尔定律得以延续。本文针对基于碳纳米管的三维芯片中布局布线方法进行研究，通过仿真来进一步验证基于碳纳米管的互连结构与传统铜互连结构相比的显著优势。此外，由于FPGA芯片存在的可编程、单元成本低等优势，本文着重研究了三维FPGA结构，并提出了基于碳纳米管的布线规则，为未来三维FPGA芯片的设计和制造提供了有力的实验依据和方法支持。为了解决由接触电阻引起的碳纳米管短导线的性能弱势，本文提出了碳纳米管导线与铜导线的分割算法，其特点在于可以综合利用两种导线的优势，尽可能减小互连线上的延时。此外，本文对三维芯片中碳纳米管通孔的信号传递性能和热传导性能进行了衡量，为设计者提供了更全面的参考信息。针对三维FPGA芯片，本文提出了基于碳纳米管导线的线长分布规则，遵循这一规则可以有效提高芯片的性能，为设计者提供设计方法依据。通过多种三维FPGA芯片的结构分析和优化重组，利用本文提出的优化布线方法，本文最终提出了一种基于碳纳米管的新型三维FPGA结构。该结构具有小尺寸、高性能和低功耗等特征，可以为未来三维芯片的设计和制造提供一定的结构基础和参考依据。本文还对碳纳米管作为芯片封装管脚进行了不同频率下的仿真，证实了碳纳米管管脚可以显著降低电源/地线反弹噪声，改善信号的完整性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 论文的初衷
• 1.1.1 碳纳米管对集成电路发展的意义
• 1.1.2 FPGA 芯片与三维集成技术
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 碳纳米管互连线
• 1.2.2 三维芯片的热问题
• 1.2.3 三维 FPGA 芯片的结构设计
• 1.3 本文的贡献
• 1.4 本文的结构安排
• 第2章 碳纳米管导线
• 2.1 碳纳米管导线的等效电路模型
• 2.1.1 碳纳米管导线的电阻模型
• 2.1.2 碳纳米管导线的电容模型
• 2.1.3 碳纳米管导线的电感模型
• 2.2 碳纳米管导线的参数取值
• 2.3 分割算法及分割长度的计算
• 2.4 方法验证
• 第3章 三维芯片中碳纳米管通孔性能分析
• 3.1 碳纳米管通孔的等效电路模型
• 3.2 碳纳米管通孔的延时性能
• 3.3 碳纳米管通孔的热性能
• 3.3.1 三维芯片的热阻模型
• 3.3.2 实验方法和结果
• 第4章 基于碳纳米管互连线的三维 FPGA 芯片互连结构
• 4.1 三维 FPGA 芯片的器件和互连线延时
• 4.2 线长分布实验
• 第5章 基于碳纳米管的新型三维 FPGA 结构
• 5.1 新型结构的构建
• 5.1.1 多元化三维结构
• 5.1.2 分层方法
• 5.1.3 堆叠方式
• 5.1.4 互连线
• 5.1.5 可编程开关结构
• 5.1.6 块存储器
• 5.2 新型三维 FPGA 面积的衡量
• 5.3 新型三维 FPGA 延时衡量
• 5.4 新型三维 FPGA 功耗衡量
• 5.5 新型三维 FPGA 热性能衡量
• 第6章 碳纳米管封装管脚
• 6.1 电源/地线反弹噪声
• 6.2 用碳纳米管降低反弹噪声
• 第7章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果