芯片設(shè)計創(chuàng)新課題申報書一、封面內(nèi)容

項目名稱：基于三維異構(gòu)集成技術(shù)的先進(jìn)芯片設(shè)計創(chuàng)新研究

申請人姓名及聯(lián)系方式：張明，zhangming@

所屬單位：國家集成電路設(shè)計研究院

申報日期：2023年10月26日

項目類別：應(yīng)用研究

二．項目摘要

本項目聚焦于三維異構(gòu)集成技術(shù)的先進(jìn)芯片設(shè)計創(chuàng)新，旨在突破傳統(tǒng)二維芯片架構(gòu)的瓶頸，提升芯片性能與能效。隨著摩爾定律趨緩，三維異構(gòu)集成成為下一代芯片設(shè)計的核心方向，通過垂直堆疊不同功能層（如CPU、GPU、加速器、存儲器等），實現(xiàn)資源優(yōu)化與協(xié)同工作。項目將重點研究異構(gòu)集成中的熱管理、電氣互連、時序優(yōu)化及設(shè)計驗證等關(guān)鍵技術(shù)，采用多物理場仿真與智能布局算法，構(gòu)建面向和高性能計算場景的異構(gòu)芯片架構(gòu)。研究方法包括：1）開發(fā)基于物理感知的自動化設(shè)計工具，實現(xiàn)異構(gòu)單元的智能協(xié)同布局；2）建立多尺度熱-電-結(jié)構(gòu)耦合模型，優(yōu)化垂直互連損耗與散熱效率；3）設(shè)計面向多任務(wù)并行處理的動態(tài)資源調(diào)度機(jī)制，提升系統(tǒng)吞吐量。預(yù)期成果包括：1）形成一套完整的異構(gòu)芯片設(shè)計流程規(guī)范；2）開發(fā)可支持百萬級晶體管的三維集成仿真平臺；3）完成面向數(shù)據(jù)中心場景的prototype芯片驗證，性能較傳統(tǒng)架構(gòu)提升40%以上，功耗降低35%。本項目的實施將為我國高端芯片自主設(shè)計提供關(guān)鍵技術(shù)儲備，推動產(chǎn)業(yè)向高密度集成與智能化設(shè)計轉(zhuǎn)型，具有重要的學(xué)術(shù)價值與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。

三.項目背景與研究意義

1.研究領(lǐng)域現(xiàn)狀、存在的問題及研究的必要性

全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入后摩爾時代，單純依靠晶體管尺寸微縮提升芯片性能的路徑日益受限，成本效益比顯著下降。與此同時，、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用場景對芯片的計算能力、能效密度和靈活性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。在此背景下，三維異構(gòu)集成技術(shù)（3Dheterogeneousintegration）作為超越傳統(tǒng)平面集成的重要發(fā)展方向，正受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過在垂直方向上堆疊具有不同功能、工藝節(jié)點或材質(zhì)的芯片或裸片（Die），并實現(xiàn)它們之間的高速、低功耗互連，旨在突破單芯片性能和功能的物理極限，實現(xiàn)系統(tǒng)級性能的躍升。

當(dāng)前，三維異構(gòu)集成技術(shù)已進(jìn)入初步產(chǎn)業(yè)化階段，代表性技術(shù)包括硅通孔（TSV）技術(shù)基礎(chǔ)上的堆疊、扇出型晶圓級封裝（Fan-OutWaferLevelPackage,FOWLP）與扇出型晶圓級芯片級封裝（Fan-OutWaferLevelChipLevelPackage,FOWCLP）等。業(yè)界巨頭如英特爾（Intel）的“Foveros”技術(shù)、三星（Samsung）的“HBM-2eI/O”以及臺積電（TSMC）的“CoWoS”技術(shù)，已成功應(yīng)用于高性能計算（HPC）、加速器等領(lǐng)域，展現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)封裝技術(shù)的顯著性能優(yōu)勢。然而，該領(lǐng)域仍面臨諸多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，制約了其向更廣泛領(lǐng)域和更高性能層次的普及。

首先，異構(gòu)單元的協(xié)同設(shè)計缺乏系統(tǒng)性方法。傳統(tǒng)芯片設(shè)計流程主要針對同質(zhì)化單元，而異構(gòu)集成涉及不同工藝、電壓、頻率的單元協(xié)同工作，如何進(jìn)行統(tǒng)一的架構(gòu)設(shè)計、任務(wù)調(diào)度、資源共享與性能平衡，是一個全新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有設(shè)計方法往往依賴于經(jīng)驗性調(diào)整，難以實現(xiàn)全局最優(yōu)。

其次，垂直互連技術(shù)瓶頸突出。隨著堆疊層數(shù)的增加，信號傳輸延遲、功耗損耗、電磁干擾（EMI）等問題日益嚴(yán)重。TSV互連雖是實現(xiàn)高帶寬的關(guān)鍵，但其制造復(fù)雜度高、成本昂貴，且在超高頻信號傳輸下仍存在損耗問題。此外，層間電源和地線的布設(shè)、熱量的有效疏導(dǎo)，也極大地增加了設(shè)計的復(fù)雜度。

再次，熱管理成為制約高密度集成的核心障礙。三維堆疊導(dǎo)致熱量在垂直方向上高度集中，傳統(tǒng)散熱方案難以有效應(yīng)對。芯片層間形成的“熱島”現(xiàn)象會顯著影響器件性能和可靠性，甚至導(dǎo)致局部過熱失效。因此，開發(fā)先進(jìn)的熱管理策略，如集成式熱管、均溫板或相變材料，并將其與設(shè)計流程深度融合，是異構(gòu)芯片成功的關(guān)鍵。

最后，設(shè)計驗證與測試面臨巨大挑戰(zhàn)。異構(gòu)芯片的復(fù)雜性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)芯片，涉及多物理場耦合（電氣、熱、結(jié)構(gòu)）、多工藝協(xié)同，傳統(tǒng)的驗證方法和工具難以覆蓋所有場景。特別是在功能驗證、時序驗證以及良率分析和測試方案設(shè)計方面，亟需創(chuàng)新的解決方案，以確保芯片的可靠性和可制造性。

鑒于上述現(xiàn)狀與問題，開展基于三維異構(gòu)集成技術(shù)的先進(jìn)芯片設(shè)計創(chuàng)新研究具有極端的必要性和緊迫性。它是延續(xù)摩爾定律精神、突破芯片性能瓶頸、滿足國家戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵路徑，也是推動我國芯片產(chǎn)業(yè)向高端化、自主化發(fā)展的必由之路。通過解決異構(gòu)集成中的核心設(shè)計難題，可以顯著提升我國在先進(jìn)芯片設(shè)計領(lǐng)域的核心競爭力，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展提供強大的科技支撐。

2.項目研究的社會、經(jīng)濟(jì)或?qū)W術(shù)價值

本項目的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)理論價值，更蘊含著顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，對于推動我國科技自立自強和產(chǎn)業(yè)升級具有深遠(yuǎn)意義。

在學(xué)術(shù)價值層面，本項目將推動芯片設(shè)計理論的跨越式發(fā)展。通過深入研究異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計方法、多物理場耦合下的互連與散熱機(jī)理、系統(tǒng)級性能優(yōu)化理論等，有望建立一套全新的三維異構(gòu)芯片設(shè)計理論體系。這將為后續(xù)更復(fù)雜的芯片架構(gòu)（如四維或更高維集成）的研究奠定基礎(chǔ)，拓展芯片設(shè)計的邊界。特別地，項目將探索基于的自動化設(shè)計方法在異構(gòu)集成中的應(yīng)用，推動設(shè)計范式從傳統(tǒng)經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能驅(qū)動轉(zhuǎn)變，這本身就是芯片設(shè)計領(lǐng)域的前沿學(xué)術(shù)方向。此外，通過多尺度仿真模型的建立與驗證，能夠深化對芯片內(nèi)部物理過程復(fù)雜性的理解，產(chǎn)生一批高水平的學(xué)術(shù)論文和學(xué)術(shù)成果，提升我國在先進(jìn)芯片設(shè)計領(lǐng)域的國際影響力。

在社會經(jīng)濟(jì)效益層面，本項目的成果將直接服務(wù)于國家重大戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域。隨著高性能計算、、自動駕駛、新型顯示、通信設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對高端芯片的需求持續(xù)旺盛。本項目研發(fā)的先進(jìn)芯片設(shè)計技術(shù)，有望顯著提升芯片的計算能效比和功能密度，滿足這些高要求應(yīng)用場景對算力、功耗和成本的綜合平衡需求。例如，在領(lǐng)域，基于本項目技術(shù)的芯片可以提供更強的推理能力和更低的運行功耗，加速模型的訓(xùn)練與部署；在數(shù)據(jù)中心，可以提升服務(wù)器性能密度，降低PUE（電源使用效率），節(jié)約能源成本；在汽車電子領(lǐng)域，可以增強車載智能系統(tǒng)的實時處理能力，保障行車安全。這些應(yīng)用將直接促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級換代，提升我國在全球產(chǎn)業(yè)鏈中的地位，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價值。同時，項目研發(fā)的技術(shù)和工具若能實現(xiàn)國產(chǎn)化，將打破國外壟斷，保障國家信息安全和產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的穩(wěn)定，具有重大的戰(zhàn)略意義。

此外，本項目的實施還將產(chǎn)生積極的人才培養(yǎng)效應(yīng)。項目將匯聚一批芯片設(shè)計領(lǐng)域的頂尖研究人員，并與高校合作，為研究生提供參與前沿研究的機(jī)會，培養(yǎng)掌握三維異構(gòu)集成等尖端技術(shù)的復(fù)合型芯片設(shè)計人才。這些人才的成長將為我國芯片產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供智力支持。同時，項目成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用也將帶動相關(guān)設(shè)備、材料、軟件等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的發(fā)展，形成良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)繁榮。

四.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計領(lǐng)域，國際前沿研究起步較早，已呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的態(tài)勢，并在多個關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。

國際上，以英特爾、三星、臺積電等為代表的半導(dǎo)體巨頭是三維異構(gòu)集成技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化的主要推動者。英特爾通過其“Foveros”技術(shù)，實現(xiàn)了基于硅通孔（TSV）的芯片間堆疊，已應(yīng)用于多核處理器和高速接口芯片，其重點在于通過精細(xì)的互連設(shè)計提升帶寬和降低延遲。三星則在存儲器與邏輯芯片的異構(gòu)集成方面走在前列，其“HBM-2eI/O”技術(shù)將高帶寬內(nèi)存與邏輯處理器緊密集成，大幅提升了移動設(shè)備中的處理性能和能效。臺積電推出的“CoWoS”技術(shù)則側(cè)重于通過扇出型晶圓級封裝實現(xiàn)邏輯芯片、存儲芯片、射頻芯片等的集成，特別適用于5G通信等復(fù)雜系統(tǒng)。這些商業(yè)化實踐驗證了三維異構(gòu)集成在特定場景下的優(yōu)勢，并推動了相關(guān)制造工藝和設(shè)計工具的成熟。在研究層面，國際學(xué)者普遍關(guān)注異構(gòu)集成中的熱管理問題，如通過仿真預(yù)測和優(yōu)化堆疊結(jié)構(gòu)的熱分布，探索液冷、熱管等先進(jìn)散熱方案與芯片設(shè)計的協(xié)同。電氣互連方面的研究則集中在低損耗通孔設(shè)計、信號完整性分析以及層間電源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面。設(shè)計方法學(xué)方面，嘗試將傳統(tǒng)二維設(shè)計流程進(jìn)行擴(kuò)展，以適應(yīng)異構(gòu)單元的加入，但普遍仍處于探索階段，缺乏完善的自動化設(shè)計工具鏈。學(xué)術(shù)界也在積極探索新的異構(gòu)材料組合，如硅-氮化鎵（Si-GaN）異構(gòu)集成，以實現(xiàn)高性能射頻與數(shù)字功能的融合。

在國內(nèi)，三維異構(gòu)集成技術(shù)的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速，國家和地方政府高度重視，投入力度不斷加大。國內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所、西安電子科技大學(xué)等，以及華為海思、中芯國際、華虹半導(dǎo)體等企業(yè)，均在該領(lǐng)域開展了積極的研究工作。國內(nèi)研究的特點是更加注重結(jié)合國情和產(chǎn)業(yè)需求，在追趕國際先進(jìn)水平的同時，也探索具有自主特色的解決方案。在技術(shù)研究方面，國內(nèi)已具備一定的TSV制造能力，并開展了基于國產(chǎn)工藝的三維集成芯片設(shè)計探索，例如在存儲器堆疊、邏輯芯片小型化等方面取得了一些進(jìn)展。與國際相比，國內(nèi)在高端制造設(shè)備（如高精度TSV設(shè)備）和基礎(chǔ)軟件（如EDA工具）方面仍存在差距，但這并未阻礙國內(nèi)研究人員在特定方向上的創(chuàng)新。例如，在異構(gòu)集成設(shè)計優(yōu)化方面，國內(nèi)學(xué)者開始嘗試將技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)）應(yīng)用于布局布線、時序優(yōu)化和熱管理等問題，以應(yīng)對異構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性。在應(yīng)用層面，國內(nèi)企業(yè)重點布局面向加速、智能汽車、數(shù)據(jù)中心等國內(nèi)市場需求旺盛的領(lǐng)域。中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所提出的“天書”等系列處理器，就包含了異構(gòu)集成的設(shè)計理念，探索CPU與加速器的協(xié)同工作。華為海思也在其部分高端芯片設(shè)計中采用了異構(gòu)集成技術(shù)，以提升性能和能效。然而，總體來看，國內(nèi)在三維異構(gòu)集成領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究成果和具有國際競爭力的技術(shù)方案相對較少，產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同仍需加強，尤其是在設(shè)計工具鏈的自主可控方面存在明顯短板。

盡管國內(nèi)外在三維異構(gòu)集成領(lǐng)域均取得了顯著進(jìn)展，但仍存在諸多尚未解決的問題和研究空白，制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

首先，異構(gòu)單元的協(xié)同設(shè)計理論與方法尚未成熟。如何在異構(gòu)芯片架構(gòu)層面進(jìn)行合理的功能劃分與任務(wù)調(diào)度，以實現(xiàn)全局性能最優(yōu)；如何在設(shè)計初期就對跨單元的時序、功耗、面積進(jìn)行精確預(yù)測和協(xié)同優(yōu)化，仍是巨大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的設(shè)計方法往往側(cè)重于局部優(yōu)化，缺乏系統(tǒng)性的全局協(xié)同框架。特別是在涉及多種異構(gòu)功能單元（如CPU、GPU、NPU、DSP、存儲器、傳感器等）的復(fù)雜系統(tǒng)中，如何建立有效的接口協(xié)議、數(shù)據(jù)通路和資源共享機(jī)制，以充分發(fā)揮各單元的優(yōu)勢，是一個亟待突破的理論瓶頸。

其次，高密度垂直互連的技術(shù)瓶頸尚未完全解決。雖然TSV技術(shù)取得了長足進(jìn)步，但其制造成本高昂，且隨著堆疊層數(shù)增加和信號頻率升高，通孔損耗、串?dāng)_、電磁輻射等問題日益突出。新型互連技術(shù)如硅通孔（2.5D）和扇出型晶圓級封裝（3DInterposer）在一定程度上緩解了問題，但新的挑戰(zhàn)隨之而來，如層間阻抗匹配、高速信號傳輸?shù)纳⒖刂频?。此外，面向未來更高密度集成的晶圓對晶圓（Wafer-to-Wafer）直接鍵合或低溫共燒陶瓷（LTCC）等技術(shù)仍面臨材料兼容性、應(yīng)力控制、鍵合可靠性等多重難題。如何開發(fā)低成本、高性能、可擴(kuò)展的垂直互連方案，是未來研究的關(guān)鍵方向。

再次，極端高密度集成下的熱管理問題日益嚴(yán)峻。三維堆疊將大量功率源集中在有限的空間內(nèi)，導(dǎo)致局部溫度急劇升高，形成嚴(yán)重的熱島效應(yīng)。這不僅影響器件性能和可靠性，甚至可能導(dǎo)致熱失配引起的物理損傷。目前的熱管理方案，如被動散熱、傳統(tǒng)散熱片、液冷等，在極限場景下效果有限。如何開發(fā)集成化、高效率、低能耗的新型熱管理技術(shù)，并將其與芯片設(shè)計進(jìn)行深度協(xié)同（熱優(yōu)化設(shè)計），是一個復(fù)雜且關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。涉及材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱路徑優(yōu)化以及多物理場耦合仿真等多個方面。

第四，面向異構(gòu)集成的設(shè)計驗證與測試技術(shù)存在巨大鴻溝。異構(gòu)芯片的復(fù)雜性使得功能驗證、時序驗證、信號完整性驗證、電源完整性驗證以及良率分析和測試方案設(shè)計等環(huán)節(jié)變得異常困難。傳統(tǒng)的驗證方法難以覆蓋所有可能的跨單元交互場景，驗證成本極高。特別是對于涉及多物理場耦合和復(fù)雜系統(tǒng)行為的異構(gòu)芯片，亟需發(fā)展新的驗證理論、方法和工具，例如基于模型的早期驗證、系統(tǒng)級仿真與硬件在環(huán)（HIL）測試的結(jié)合、以及智能化的測試數(shù)據(jù)分析技術(shù)等。

第五，異構(gòu)芯片的EDA設(shè)計工具鏈尚未完善。目前市場上的EDA工具大多基于二維芯片設(shè)計流程構(gòu)建，對異構(gòu)集成的支持尚不成熟，存在功能缺失、性能瓶頸、易用性差等問題。特別是在物理設(shè)計（布局布線）、時序與功耗分析、以及驗證等領(lǐng)域，缺乏針對異構(gòu)場景的專用工具和算法。開發(fā)一套完整、高效、開放的異構(gòu)芯片EDA工具鏈，是推動該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的核心保障，也是國內(nèi)亟待追趕的關(guān)鍵領(lǐng)域。

綜上所述，盡管三維異構(gòu)集成技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力，但在設(shè)計方法、互連技術(shù)、熱管理、驗證測試和EDA工具等方面仍存在諸多研究空白和挑戰(zhàn)。本項目旨在聚焦這些關(guān)鍵問題，開展系統(tǒng)性、前瞻性的研究，以期取得突破性進(jìn)展，為我國先進(jìn)芯片設(shè)計技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

五.研究目標(biāo)與內(nèi)容

1.研究目標(biāo)

本項目旨在面向三維異構(gòu)集成技術(shù)的先進(jìn)芯片設(shè)計需求，聚焦于突破異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計、高密度垂直互連、極端高密度集成下的熱管理以及設(shè)計驗證與測試等核心瓶頸，開展系統(tǒng)性、前瞻性的研究。具體研究目標(biāo)如下：

第一，構(gòu)建面向高性能計算的異構(gòu)芯片協(xié)同設(shè)計理論與方法體系。旨在解決異構(gòu)單元（CPU、GPU、加速器、高速緩存、專用接口等）在架構(gòu)層面、接口層面和邏輯層面的協(xié)同設(shè)計難題，實現(xiàn)跨單元資源的優(yōu)化配置、任務(wù)的智能調(diào)度和性能的均衡提升。目標(biāo)是開發(fā)一套能夠指導(dǎo)多異構(gòu)核芯片協(xié)同設(shè)計的流程框架和關(guān)鍵算法，使設(shè)計的芯片在滿足特定應(yīng)用場景需求的同時，實現(xiàn)計算性能、能效和面積（PPA）的帕累托最優(yōu)。

第二，研發(fā)先進(jìn)的三維垂直互連設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。針對高帶寬、低延遲、低損耗的互連需求，探索并優(yōu)化TSV、硅通孔（2.5D）、扇出型晶圓級封裝（3DInterposer）等不同互連技術(shù)的物理結(jié)構(gòu)、電氣特性和制造工藝。重點研究層間信號完整性、電源完整性以及電磁兼容性（EMC）的協(xié)同設(shè)計方法，目標(biāo)是顯著降低互連損耗，抑制串?dāng)_和電磁輻射，提升互連鏈路的可靠性和可用帶寬。

第三，建立集成化、高效能的三維異構(gòu)芯片熱管理設(shè)計理論與技術(shù)。針對高功率密度集成的熱挑戰(zhàn)，研究異構(gòu)芯片內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、對流和輻射機(jī)制，開發(fā)先進(jìn)的熱仿真模型，并進(jìn)行熱-電-結(jié)構(gòu)多物理場耦合分析。探索并提出多種集成式熱管理解決方案（如嵌入式熱管、均溫板、相變材料、智能風(fēng)扇等）與芯片設(shè)計的協(xié)同優(yōu)化策略，目標(biāo)是有效均勻化芯片內(nèi)部溫度分布，將核心區(qū)域溫度控制在安全工作范圍內(nèi)，提升芯片的長期運行穩(wěn)定性和可靠性。

第四，開發(fā)面向三維異構(gòu)集成芯片的先進(jìn)設(shè)計驗證與測試技術(shù)。針對異構(gòu)芯片設(shè)計的復(fù)雜性和特殊性，研究適用于跨單元交互、多物理場耦合的設(shè)計驗證方法學(xué)和流程。開發(fā)高效的系統(tǒng)級仿真工具，集成形式驗證、時序驗證、功耗驗證和信號完整性驗證等功能。探索基于的測試數(shù)據(jù)壓縮、故障診斷和良率提升技術(shù)，目標(biāo)是建立一套完整、高效、自動化的異構(gòu)芯片設(shè)計驗證與測試解決方案，降低驗證成本，提高芯片上市速度和可靠性。

第五，探索并實踐面向應(yīng)用場景的三維異構(gòu)集成芯片架構(gòu)與設(shè)計。結(jié)合項目前述研究目標(biāo)，以面向數(shù)據(jù)中心或邊緣計算的加速器為具體應(yīng)用場景，設(shè)計并驗證一套包含CPU、NPU、高速緩存和專用內(nèi)存（如HBM）的異構(gòu)芯片架構(gòu)。將所研發(fā)的協(xié)同設(shè)計、互連優(yōu)化、熱管理和驗證測試技術(shù)應(yīng)用于該架構(gòu)的具體設(shè)計中，并進(jìn)行流片驗證（或高級仿真驗證），目標(biāo)是在特定應(yīng)用基準(zhǔn)測試中，驗證所設(shè)計芯片相較于傳統(tǒng)架構(gòu)在性能、能效和面積方面的顯著優(yōu)勢。

2.研究內(nèi)容

為實現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本項目將圍繞以下具體研究內(nèi)容展開：

（1）異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計方法研究

***具體研究問題：**如何在異構(gòu)芯片架構(gòu)設(shè)計階段，根據(jù)應(yīng)用需求自動或半自動地劃分功能模塊，確定各模塊的異構(gòu)類型（工藝、電壓、頻率等），并設(shè)計高效的跨模塊通信接口和數(shù)據(jù)通路？如何建立跨單元的統(tǒng)一性能模型，進(jìn)行任務(wù)分配和資源調(diào)度優(yōu)化，以實現(xiàn)全局性能最大化？如何將時序、功耗、面積約束整合到協(xié)同設(shè)計流程中，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化？

***研究假設(shè)：**通過構(gòu)建基于多目標(biāo)優(yōu)化的協(xié)同設(shè)計框架，結(jié)合任務(wù)級模擬與系統(tǒng)級仿真的反饋，可以有效地解決異構(gòu)單元的協(xié)同設(shè)計難題，實現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)二維芯片或非協(xié)同設(shè)計的芯片性能和能效。

***研究內(nèi)容：**開發(fā)面向異構(gòu)集成的架構(gòu)探索算法，支持基于應(yīng)用負(fù)載特征的功能模塊劃分與異構(gòu)類型選擇；設(shè)計跨模塊通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化方法和動態(tài)資源調(diào)度策略；研究基于仿真的協(xié)同設(shè)計迭代優(yōu)化算法，集成時序、功耗、面積等多目標(biāo)優(yōu)化。

（2）高密度垂直互連設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)研究

***具體研究問題：**不同類型的垂直互連技術(shù)（TSV、2.5D、FOWLP/FOWCLP）在帶寬、延遲、功耗、成本和制造復(fù)雜度方面各有優(yōu)劣，如何根據(jù)應(yīng)用需求選擇或組合不同的互連技術(shù)？如何優(yōu)化TSV的尺寸、布局、材料和填充技術(shù)，以降低損耗和提升可靠性？如何設(shè)計低損耗、低串?dāng)_的層間布線網(wǎng)絡(luò)和電源分配網(wǎng)絡(luò)？如何進(jìn)行高速信號傳輸?shù)纳⒖刂坪碗姶鸥蓴_抑制？

***研究假設(shè)：**通過引入先進(jìn)的物理設(shè)計算法和仿真模型，可以有效地優(yōu)化高密度垂直互連的性能和可靠性，使其滿足甚至超越特定應(yīng)用場景的帶寬和延遲要求。

***研究內(nèi)容：**研究不同垂直互連技術(shù)的適用場景與性能極限；開發(fā)TSV結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括尺寸、布局、填充材料和工藝參數(shù)優(yōu)化；設(shè)計面向異構(gòu)集成的層間布線策略和電源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，考慮信號完整性、電源完整性和熱效應(yīng)；研究基于電磁場仿真的EMC優(yōu)化方法。

（3）極端高密度集成下的熱管理設(shè)計理論與技術(shù)研究

***具體研究問題：**如何精確預(yù)測高功率密度異構(gòu)芯片的三維熱分布，特別是堆疊層間的熱傳遞特性？如何設(shè)計有效的集成式熱管理結(jié)構(gòu)（如嵌入式微通道液冷、均溫板、熱管陣列），并將其與芯片結(jié)構(gòu)、電源分布和功能布局進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化？如何建立考慮熱應(yīng)力、熱失配的可靠性模型，評估和預(yù)測芯片的長期運行穩(wěn)定性？

***研究假設(shè)：**通過建立精確的多物理場耦合熱仿真模型，并結(jié)合創(chuàng)新的集成式熱管理技術(shù)與芯片設(shè)計的協(xié)同優(yōu)化，可以有效地控制高密度集成芯片的溫度，提升其散熱效率和長期可靠性。

***研究內(nèi)容：**建立考慮傳導(dǎo)、對流、輻射以及相變的精確三維芯片熱仿真模型；研發(fā)集成式熱管理單元（如嵌入式微通道、相變材料）的設(shè)計方法學(xué)與優(yōu)化算法；研究熱-電-結(jié)構(gòu)耦合仿真方法，評估熱應(yīng)力對芯片可靠性的影響；開發(fā)基于熱仿真的熱優(yōu)化設(shè)計流程。

（4）三維異構(gòu)芯片設(shè)計驗證與測試技術(shù)

***具體研究問題：**如何擴(kuò)展現(xiàn)有的EDA驗證工具，使其能夠支持異構(gòu)芯片的跨單元交互、多物理場耦合驗證？如何開發(fā)高效的系統(tǒng)級仿真方法，快速評估異構(gòu)芯片在復(fù)雜場景下的功能、性能和功耗？如何設(shè)計創(chuàng)新的測試方案，有效檢測異構(gòu)芯片中由于單元交互、互連缺陷和熱效應(yīng)引起的復(fù)雜故障？如何利用技術(shù)提升測試效率和良率分析能力？

***研究假設(shè)：**通過引入系統(tǒng)級建模、多物理場仿真加速以及基于的測試方法，可以顯著提升三維異構(gòu)芯片的設(shè)計驗證與測試效率，降低驗證成本，提高芯片的可靠性和良率。

***研究內(nèi)容：**研究適用于異構(gòu)集成的系統(tǒng)級性能建模與仿真方法；開發(fā)支持跨單元交互驗證的EDA驗證工具模塊；設(shè)計面向異構(gòu)芯片的邊界掃描、無損測試（BIST）以及基于模型的測試（MBIST）方案；探索利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)壓縮、故障診斷和良率預(yù)測的方法。

（5）面向應(yīng)用的三維異構(gòu)集成芯片架構(gòu)與設(shè)計實踐

***具體研究問題：**如何針對特定的應(yīng)用（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理、訓(xùn)練或邊緣計算），設(shè)計包含CPU、NPU、高帶寬內(nèi)存（HBM）等異構(gòu)單元的芯片架構(gòu)？如何將前面研究內(nèi)容中開發(fā)的協(xié)同設(shè)計、互連優(yōu)化、熱管理和驗證測試技術(shù)，應(yīng)用于該芯片的具體設(shè)計流程中？如何進(jìn)行芯片的流片驗證或高級仿真驗證，并對性能、能效和面積進(jìn)行評估？

***研究假設(shè)：**通過將本項目研發(fā)的先進(jìn)設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于面向的三維異構(gòu)芯片設(shè)計實踐，可以驗證這些技術(shù)的有效性，并最終設(shè)計出在性能和能效方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)的加速芯片。

***研究內(nèi)容：**定義面向特定應(yīng)用的異構(gòu)芯片架構(gòu)，明確各功能單元的配置和接口；使用SystemC等建模語言進(jìn)行架構(gòu)原型驗證；應(yīng)用協(xié)同設(shè)計、互連優(yōu)化、熱管理技術(shù)進(jìn)行芯片的具體物理設(shè)計；利用高級仿真工具（如Sentaurus）進(jìn)行芯片性能、功耗和熱特性仿真；若條件允許，進(jìn)行芯片的流片制造與測試，驗證設(shè)計方案的可行性。

六.研究方法與技術(shù)路線

1.研究方法、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)收集與分析方法

本項目將采用理論分析、計算機(jī)仿真、算法設(shè)計與開發(fā)、以及（可能的）硬件實驗相結(jié)合的綜合研究方法，以系統(tǒng)性地解決三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

**研究方法：**

***理論分析與建模：**針對異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計、垂直互連物理特性、熱傳導(dǎo)機(jī)理等核心問題，進(jìn)行深入的數(shù)學(xué)建模和理論推導(dǎo)。建立能夠描述跨單元交互行為的性能模型、互連損耗模型、以及熱-電-結(jié)構(gòu)耦合模型。通過理論分析，揭示問題內(nèi)在規(guī)律，為仿真和算法設(shè)計提供基礎(chǔ)。

***計算機(jī)仿真與建模：**利用先進(jìn)的EDA工具和自研仿真軟件，對芯片設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行多尺度、多物理場耦合仿真。包括使用Sentaurus、Xcelium/QuestaSim等工具進(jìn)行電路、版圖、時序、功耗、熱仿真；使用CST、HFSS等工具進(jìn)行電磁場仿真；使用ANSYS等工具進(jìn)行熱-電-結(jié)構(gòu)耦合仿真。同時，開發(fā)或利用現(xiàn)有平臺進(jìn)行系統(tǒng)級性能建模與仿真，評估異構(gòu)芯片在不同工作負(fù)載下的表現(xiàn)。

***算法設(shè)計與優(yōu)化：**針對協(xié)同設(shè)計優(yōu)化、互連布局布線、熱管理策略等難題，設(shè)計并實現(xiàn)高效的優(yōu)化算法?？赡懿捎玫姆椒òǎ簡l(fā)式算法（遺傳算法、模擬退火、粒子群優(yōu)化等）、精確優(yōu)化算法、機(jī)器學(xué)習(xí)/算法（強化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)用于模式識別與預(yù)測等）。通過算法競賽或基準(zhǔn)測試驗證算法的有效性和效率。

***實驗驗證（可能的硬件流片）：**在理論分析、仿真和算法開發(fā)完成后，選擇關(guān)鍵技術(shù)或完整設(shè)計的芯片進(jìn)行硬件流片。通過制造工藝驗證設(shè)計的可實現(xiàn)性，并通過測試平臺獲取真實的物理參數(shù)和性能數(shù)據(jù)。硬件實驗結(jié)果將用于驗證和修正理論模型與仿真工具，并為最終的設(shè)計提供指導(dǎo)。

***原型驗證與測試：**除了可能的硬件流片，將構(gòu)建功能原型（如基于FPGA）或芯片級原型（如通過先進(jìn)封裝技術(shù)快速實現(xiàn)），用于驗證關(guān)鍵設(shè)計的可行性和性能。測試將覆蓋功能驗證、性能基準(zhǔn)測試、功耗測量、熱成像分析等。

**實驗設(shè)計：**

***異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計實驗：**設(shè)計不同配置（CPU核心數(shù)、NPU類型、內(nèi)存容量等）的異構(gòu)芯片架構(gòu)，應(yīng)用所開發(fā)的協(xié)同設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，與基準(zhǔn)設(shè)計（如非協(xié)同設(shè)計或文獻(xiàn)中的現(xiàn)有設(shè)計）進(jìn)行對比，評估在相同資源約束下性能、能效和面積的綜合表現(xiàn)。通過改變應(yīng)用負(fù)載特征，評估設(shè)計的魯棒性。

***垂直互連優(yōu)化實驗：**設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的TSV、2.5D或FOWLP/FOWCLP互連方案，通過仿真比較其電氣性能（延遲、損耗、串?dāng)_）、熱性能和成本。針對特定互連方案，進(jìn)行布局布線優(yōu)化實驗，研究不同優(yōu)化策略對性能的影響。

***熱管理設(shè)計實驗：**設(shè)計包含不同熱管理單元（如無熱管、有嵌入式微通道、有均溫板）的芯片結(jié)構(gòu)，通過仿真比較其熱分布和溫度均勻性。選擇有代表性的熱管理方案進(jìn)行原型制作或流片，通過熱成像儀等設(shè)備測量實際芯片表面的溫度分布，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。

***驗證測試實驗：**針對設(shè)計的異構(gòu)芯片，制定詳細(xì)的測試計劃，包括單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試。利用測試平臺測量關(guān)鍵性能指標(biāo)（如吞吐量、延遲、功耗），收集故障信息，分析測試數(shù)據(jù)，評估芯片的可靠性和良率。

**數(shù)據(jù)收集與分析方法：**

***仿真數(shù)據(jù)：**通過仿真獲取大量的中間數(shù)據(jù)和最終結(jié)果，如電路仿真得到時序、功耗數(shù)據(jù)；版圖仿真得到版圖面積、互連延遲；熱仿真得到溫度分布、熱阻；電磁仿真得到S參數(shù)、EMI輻射水平；系統(tǒng)級仿真得到應(yīng)用性能、資源利用率等。數(shù)據(jù)分析將采用統(tǒng)計分析、對比分析、回歸分析等方法，評估不同設(shè)計參數(shù)對最終性能的影響。

***實驗數(shù)據(jù)：**通過硬件測試或原型驗證收集的數(shù)據(jù)包括：功能測試的通過率；性能測試的基準(zhǔn)分?jǐn)?shù)（如SPECCPU,MLPerf）；功耗測試的動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和總功耗；熱測試的溫度讀數(shù)、熱圖像；良率數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)分析將采用統(tǒng)計分析、假設(shè)檢驗、趨勢分析等方法，驗證研究假設(shè)，評估技術(shù)效果。

***算法數(shù)據(jù)：**對于優(yōu)化算法，收集的數(shù)據(jù)包括算法的收斂速度、解的質(zhì)量、計算時間等。數(shù)據(jù)分析將用于評估算法的效率和有效性，并進(jìn)行算法參數(shù)優(yōu)化。

所有收集到的數(shù)據(jù)都將進(jìn)行系統(tǒng)性的整理和分析，用于指導(dǎo)研究方向的調(diào)整、驗證研究假設(shè)、評估研究進(jìn)展，并最終形成研究報告和學(xué)術(shù)論文。

2.技術(shù)路線

本項目的技術(shù)路線將遵循“基礎(chǔ)研究-技術(shù)攻關(guān)-系統(tǒng)集成-驗證評估”的邏輯順序，分階段實施。

**第一階段：基礎(chǔ)研究與架構(gòu)設(shè)計（第1-12個月）**

***關(guān)鍵步驟：**

1.深入調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確本項目的技術(shù)突破口和難點。

2.針對異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計，研究并提出初步的協(xié)同設(shè)計框架和關(guān)鍵算法假設(shè)。

3.針對垂直互連，建立關(guān)鍵物理參數(shù)模型，研究不同互連技術(shù)的優(yōu)劣勢。

4.針對熱管理，建立初步的熱傳導(dǎo)模型，調(diào)研并提出候選的熱管理技術(shù)方案。

5.針對驗證測試，研究適用于異構(gòu)芯片的驗證方法學(xué)和工具需求。

6.定義面向應(yīng)用的具體場景，進(jìn)行需求分析，初步設(shè)計異構(gòu)芯片架構(gòu)。

***預(yù)期成果：**形成各研究方向的詳細(xì)技術(shù)方案和算法假設(shè)，完成文獻(xiàn)綜述，初步建立仿真模型，完成應(yīng)用場景的架構(gòu)需求文檔。

**第二階段：關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與仿真驗證（第13-24個月）**

***關(guān)鍵步驟：**

1.重點突破異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計方法，開發(fā)并驗證協(xié)同設(shè)計算法，實現(xiàn)原型設(shè)計。

2.重點突破高密度垂直互連設(shè)計技術(shù)，優(yōu)化TSV結(jié)構(gòu)和層間布線，完成仿真驗證。

3.重點突破三維異構(gòu)芯片熱管理技術(shù)，建立精確的熱仿真模型，優(yōu)化熱管理方案，完成仿真驗證。

4.重點突破設(shè)計驗證與測試技術(shù)，開發(fā)或擴(kuò)展現(xiàn)有EDA工具，建立驗證流程。

5.基于第一階段的架構(gòu)設(shè)計，完成芯片的詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計和功能模塊劃分。

***預(yù)期成果：**在各研究方向取得關(guān)鍵技術(shù)突破，開發(fā)出有效的算法和設(shè)計工具模塊，完成芯片的詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計和功能模塊的仿真驗證，形成中間設(shè)計版本。

**第三階段：系統(tǒng)集成與原型/流片驗證（第25-36個月）**

***關(guān)鍵步驟：**

1.將各項關(guān)鍵技術(shù)集成到芯片的完整設(shè)計流程中，完成芯片的詳細(xì)物理設(shè)計（布局布線）。

2.利用高級仿真工具對完整設(shè)計的芯片進(jìn)行全面的功能、性能、功耗和熱仿真。

3.根據(jù)項目進(jìn)展和資源情況，決定是否進(jìn)行芯片流片或制作功能原型/芯片級原型。

4.若進(jìn)行流片，完成芯片制造、封裝和測試。

5.若制作原型，完成原型制作、測試平臺搭建和測試驗證。

6.對驗證結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，評估設(shè)計目標(biāo)的達(dá)成情況。

***預(yù)期成果：**完成異構(gòu)芯片的設(shè)計流程集成，獲得完整的仿真驗證結(jié)果；若流片成功，獲得實際芯片樣品和測試數(shù)據(jù)；若制作原型，獲得功能原型和測試數(shù)據(jù)，驗證設(shè)計的可行性。

**第四階段：成果總結(jié)與推廣應(yīng)用（第37-36個月）**

***關(guān)鍵步驟：**

1.系統(tǒng)總結(jié)項目研究成果，包括理論創(chuàng)新、技術(shù)突破、設(shè)計方法和驗證數(shù)據(jù)。

2.撰寫高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，申請專利，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和成果推廣。

3.形成項目總結(jié)報告，評估項目目標(biāo)的完成情況和社會經(jīng)濟(jì)效益。

4.探索后續(xù)研究方向和技術(shù)應(yīng)用前景。

***預(yù)期成果：**發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文，申請國家發(fā)明專利，形成完整的項目技術(shù)文檔和總結(jié)報告，為后續(xù)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

通過上述技術(shù)路線的執(zhí)行，本項目將有望在三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計領(lǐng)域取得一系列創(chuàng)新性成果，為我國芯片產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展提供有力支撐。

七．創(chuàng)新點

本項目針對三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計的核心挑戰(zhàn)，提出了一系列具有理論深度和方法論創(chuàng)新的研究方向和技術(shù)方案，旨在突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，推動該領(lǐng)域的發(fā)展。主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）**異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計的系統(tǒng)化理論與方法創(chuàng)新：**

***創(chuàng)新性：**現(xiàn)有研究多關(guān)注異構(gòu)單元的單一特性優(yōu)化或簡單的接口設(shè)計，缺乏對整個異構(gòu)系統(tǒng)在架構(gòu)層面進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)同設(shè)計的系統(tǒng)性理論框架和有效方法。本項目提出的創(chuàng)新點在于，構(gòu)建一個基于多目標(biāo)優(yōu)化和深度學(xué)習(xí)的異構(gòu)芯片協(xié)同設(shè)計理論與方法體系，實現(xiàn)從架構(gòu)需求到功能實現(xiàn)的全流程協(xié)同。

***具體體現(xiàn)：**提出一種考慮任務(wù)特征、計算模式、通信開銷、功耗限制等多維度的異構(gòu)單元自動劃分與配置算法，該算法能根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場景自動選擇最優(yōu)的異構(gòu)組合和性能點。開發(fā)一種基于強化學(xué)習(xí)的動態(tài)資源調(diào)度與任務(wù)分配策略，能夠根據(jù)運行時系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)優(yōu)先級，實時調(diào)整各異構(gòu)單元的資源分配和工作負(fù)載，實現(xiàn)全局性能和能效的動態(tài)優(yōu)化。設(shè)計一種跨單元的統(tǒng)一性能建模方法，將CPU、GPU、NPU等不同單元的性能模型進(jìn)行融合，形成系統(tǒng)級的性能預(yù)測模型，為協(xié)同設(shè)計提供反饋指導(dǎo)。這些創(chuàng)新將顯著提升異構(gòu)芯片的系統(tǒng)性能和資源利用率，克服現(xiàn)有方法中各模塊獨立設(shè)計導(dǎo)致的性能瓶頸和資源浪費問題。

（2）**高密度垂直互連的多物理場協(xié)同優(yōu)化技術(shù)創(chuàng)新：**

***創(chuàng)新性：**現(xiàn)有互連優(yōu)化研究往往側(cè)重于單一物理場（如信號完整性或熱效應(yīng)），缺乏對電氣、熱、機(jī)械等多物理場耦合效應(yīng)的綜合考慮和協(xié)同優(yōu)化。本項目提出的創(chuàng)新點在于，提出一種面向多物理場耦合效應(yīng)的先進(jìn)垂直互連設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)互連性能、散熱效率和制造可行性的統(tǒng)一優(yōu)化。

***具體體現(xiàn)：**開發(fā)一種集成電氣仿真（S參數(shù)、損耗）、熱仿真（溫度分布、熱阻）和結(jié)構(gòu)仿真（應(yīng)力、變形）的多物理場協(xié)同仿真平臺。提出一種基于該平臺的智能優(yōu)化算法，能夠同時優(yōu)化TSV的幾何參數(shù)（直徑、高度、填充材料）、層間布線策略（層壓、寬度、間距）以及電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，以實現(xiàn)帶寬、延遲、損耗、散熱和成本的綜合最優(yōu)。探索新型低損耗、高可靠性互連材料（如氮化硅、金剛石）和結(jié)構(gòu)（如扭轉(zhuǎn)TSV、3D印制電路）的設(shè)計與應(yīng)用潛力。這種多物理場協(xié)同優(yōu)化的方法將顯著提升高密度集成芯片的互連性能和可靠性，并為未來更復(fù)雜的三維集成提供技術(shù)支撐。

（3）**極端高密度集成下的集成化熱管理設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新：**

***創(chuàng)新性：**現(xiàn)有熱管理研究多集中于被動散熱或傳統(tǒng)的散熱片設(shè)計，難以滿足超高功率密度集成帶來的極端熱挑戰(zhàn)。本項目提出的創(chuàng)新點在于，提出一種面向異構(gòu)集成芯片的集成化、高效能熱管理設(shè)計理論與技術(shù)，將先進(jìn)的熱管理單元與芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行深度融合，實現(xiàn)主動與被動散熱的協(xié)同優(yōu)化。

***具體體現(xiàn)：**開發(fā)一種基于的熱管理優(yōu)化設(shè)計方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測芯片內(nèi)部復(fù)雜的三維熱分布，并據(jù)此智能設(shè)計集成式熱管理單元（如嵌入式微通道的尺寸、布局、流道設(shè)計，相變材料的填充區(qū)域和形態(tài)，均溫板的形狀和位置）。建立考慮熱-電-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)的芯片熱可靠性模型，預(yù)測長期運行下的熱循環(huán)應(yīng)力對芯片可靠性的影響，并據(jù)此優(yōu)化熱管理策略。探索將熱管理設(shè)計與芯片功能布局、電源分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)從系統(tǒng)層面到器件層面的熱優(yōu)化。這種集成化、智能化的熱管理技術(shù)將有效解決高功率密度異構(gòu)芯片的散熱難題，提升芯片的長期運行穩(wěn)定性和可靠性。

（4）**面向應(yīng)用的三維異構(gòu)集成芯片架構(gòu)設(shè)計實踐創(chuàng)新：**

***創(chuàng)新性：**現(xiàn)有芯片設(shè)計雖然也考慮異構(gòu)集成，但多基于成熟的CPU+NPU架構(gòu)，或在特定單類型異構(gòu)（如CPU+專用核）上優(yōu)化，缺乏針對復(fù)雜計算模式進(jìn)行深度定制、高度協(xié)同的三維異構(gòu)架構(gòu)創(chuàng)新。本項目提出的創(chuàng)新點在于，面向特定的應(yīng)用場景（如大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理或訓(xùn)練），設(shè)計一種全新的、高度優(yōu)化的三維異構(gòu)芯片架構(gòu)，并將前面研究內(nèi)容中的創(chuàng)新理論和方法應(yīng)用于該架構(gòu)的具體設(shè)計實踐。

***具體體現(xiàn)：**設(shè)計一種包含CPU、可編程NPU、專用加速器（如張量核心）、高速緩存和異構(gòu)內(nèi)存（如CPU緩存+專用內(nèi)存+HBM）的多層次、多類型異構(gòu)單元協(xié)同工作的芯片架構(gòu)。該架構(gòu)將根據(jù)計算任務(wù)的不同階段（如數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型計算、后處理）進(jìn)行功能劃分和資源映射。在具體設(shè)計實踐中，應(yīng)用所開發(fā)的協(xié)同設(shè)計方法進(jìn)行架構(gòu)布局，優(yōu)化單元間通信路徑；應(yīng)用互連優(yōu)化技術(shù)確保高速數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用熱管理技術(shù)控制高功率單元的發(fā)熱；應(yīng)用先進(jìn)的驗證測試技術(shù)對整個芯片系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格驗證。這種面向應(yīng)用的深度定制化架構(gòu)設(shè)計實踐，將有望在特定任務(wù)上實現(xiàn)超越現(xiàn)有產(chǎn)品的性能和能效水平，推動芯片技術(shù)的進(jìn)步。

（5）**設(shè)計驗證與測試技術(shù)的智能化與系統(tǒng)化創(chuàng)新：**

***創(chuàng)新性：**現(xiàn)有異構(gòu)芯片驗證測試方法多沿用傳統(tǒng)二維芯片模式，難以有效覆蓋跨單元交互、多物理場耦合帶來的復(fù)雜問題，效率低下且成本高昂。本項目提出的創(chuàng)新點在于，提出一種面向三維異構(gòu)集成芯片的智能化、系統(tǒng)化設(shè)計驗證與測試技術(shù)，利用和先進(jìn)仿真方法提升驗證效率，并覆蓋更全面的故障模式。

***具體體現(xiàn)：**開發(fā)基于系統(tǒng)級建模和仿真的快速驗證方法，利用技術(shù)（如深度學(xué)習(xí)）進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的智能壓縮、故障診斷和預(yù)測，提高測試覆蓋率。研究適用于異構(gòu)集成的邊界掃描、無損測試（BIST）和基于模型的測試（MBIST）技術(shù)，特別是針對跨單元接口和互連鏈路的測試方案。開發(fā)一套完整的異構(gòu)芯片設(shè)計驗證流程規(guī)范和自動化工具集，覆蓋從功能驗證到系統(tǒng)測試的全過程。這種智能化和系統(tǒng)化的驗證測試技術(shù)將顯著降低異構(gòu)芯片的設(shè)計驗證成本，縮短研發(fā)周期，提高芯片的可靠性和良率。

綜上所述，本項目在異構(gòu)芯片協(xié)同設(shè)計理論、多物理場耦合互連優(yōu)化、集成化熱管理、定制化架構(gòu)設(shè)計以及智能化驗證測試等多個方面均提出了具有創(chuàng)新性的研究思路和技術(shù)方案，有望為我國先進(jìn)芯片設(shè)計技術(shù)的發(fā)展帶來突破，具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。

八．預(yù)期成果

本項目旨在通過系統(tǒng)性的研究和攻關(guān)，在三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計領(lǐng)域取得一系列具有理論深度和實用價值的成果，具體包括以下幾個方面：

（1）**理論成果：**

***構(gòu)建一套完整的異構(gòu)芯片協(xié)同設(shè)計理論框架。**形成一套系統(tǒng)化的方法學(xué)，能夠指導(dǎo)多異構(gòu)核芯片在架構(gòu)、接口和邏輯層面的協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)跨單元資源的優(yōu)化配置、任務(wù)的智能調(diào)度和性能的均衡提升。該框架將超越現(xiàn)有二維芯片設(shè)計流程，為異構(gòu)芯片的自動化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

***建立精確的多物理場耦合仿真模型。**開發(fā)出能夠準(zhǔn)確描述三維異構(gòu)芯片中電氣、熱、力學(xué)效應(yīng)相互作用的仿真模型，特別是針對垂直互連的熱-電-結(jié)構(gòu)耦合模型和芯片級的熱分布模型。這些模型將填補現(xiàn)有仿真工具在復(fù)雜場景下精度不足的空白，為設(shè)計優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

***提出面向應(yīng)用的三維異構(gòu)芯片架構(gòu)設(shè)計理論。**形成一套針對特定計算模式進(jìn)行優(yōu)化的異構(gòu)芯片架構(gòu)設(shè)計理論，明確不同功能單元（CPU、NPU、存儲等）的協(xié)同工作機(jī)制和性能權(quán)衡原則。該理論將為未來芯片架構(gòu)的演進(jìn)提供新的思路和方向。

***發(fā)展基于的芯片驗證測試?yán)碚摗?*形成一套利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)提升驗證測試效率和覆蓋率的理論方法，包括智能測試數(shù)據(jù)生成、故障診斷、良率預(yù)測等理論模型。這將推動芯片驗證測試從傳統(tǒng)經(jīng)驗驅(qū)動向智能驅(qū)動轉(zhuǎn)變。

***發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文和申請發(fā)明專利。**預(yù)計發(fā)表SCI/EI收錄的國際頂級期刊和會議論文10篇以上，申請國家發(fā)明專利5項以上，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。

（2）**實踐應(yīng)用價值與技術(shù)開發(fā)：**

***開發(fā)一套先進(jìn)的三維異構(gòu)芯片設(shè)計工具鏈模塊。**基于項目研究，開發(fā)或擴(kuò)展現(xiàn)有EDA工具，重點突破異構(gòu)集成設(shè)計流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如協(xié)同布局布線工具、多物理場仿真接口、熱管理優(yōu)化引擎等。這些工具模塊將具備一定的自主知識產(chǎn)權(quán)，為國內(nèi)芯片設(shè)計企業(yè)提供技術(shù)支持，降低對國外工具的依賴。

***完成一款面向應(yīng)用的三維異構(gòu)芯片原型設(shè)計與驗證。**設(shè)計一款包含CPU、NPU、高速緩存和HBM的加速芯片，并完成其詳細(xì)物理設(shè)計、仿真驗證（包括功能、性能、功耗、熱特性）。若條件允許，進(jìn)行芯片流片或制作功能原型，獲取實際物理數(shù)據(jù)，驗證設(shè)計的可行性和優(yōu)越性。該原型芯片將作為項目成果的核心載體，直接展示所研發(fā)技術(shù)的應(yīng)用效果。

***形成一套完整的異構(gòu)芯片設(shè)計方法學(xué)與實踐指南。**項目結(jié)束后，將整理形成一套覆蓋從需求分析、架構(gòu)設(shè)計、物理實現(xiàn)到驗證測試的全流程設(shè)計方法學(xué)文檔，并結(jié)合項目案例，編寫實踐指南，為國內(nèi)芯片設(shè)計人員提供技術(shù)參考。

***培養(yǎng)一批掌握先進(jìn)芯片設(shè)計技術(shù)的專業(yè)人才。**通過項目實施，培養(yǎng)博士、碩士研究生8-10名，使其深入掌握三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計的核心理論和實踐技能，為我國芯片產(chǎn)業(yè)儲備高端人才。

（3）**社會經(jīng)濟(jì)效益：**

***推動我國高端芯片設(shè)計技術(shù)的突破。**本項目的研究成果將顯著提升我國在三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力，縮小與國際先進(jìn)水平的差距，增強我國芯片產(chǎn)業(yè)的自主可控能力。

***提升國產(chǎn)芯片的核心競爭力。**項目開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)和工具將應(yīng)用于國內(nèi)芯片設(shè)計項目，有助于設(shè)計出性能更優(yōu)、功耗更低、成本更具優(yōu)勢的芯片產(chǎn)品，提升國產(chǎn)芯片在國內(nèi)外市場的競爭力。

***支撐國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。**高性能計算、、數(shù)據(jù)中心等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)對先進(jìn)芯片的需求日益迫切。本項目成果將直接服務(wù)于這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為其提供強大的算力支撐，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的繁榮。

***促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。**項目的實施將帶動國內(nèi)相關(guān)設(shè)備、材料、EDA工具等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的發(fā)展，形成良性的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進(jìn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的整體進(jìn)步。

綜上所述，本項目預(yù)期將產(chǎn)出一系列具有理論創(chuàng)新性和實踐應(yīng)用價值的成果，不僅能夠推動三維異構(gòu)集成芯片設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，更能為我國芯片產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級提供有力支撐，產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

九.項目實施計劃

1.項目時間規(guī)劃與任務(wù)分配

本項目計劃周期為三年，共分四個階段實施，每階段包含若干子任務(wù)，并設(shè)定明確的進(jìn)度安排。

（1）第一階段：基礎(chǔ)研究與架構(gòu)設(shè)計（第1-12個月）

***任務(wù)分配：**

*任務(wù)1.1：國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研與需求分析（第1-2個月），負(fù)責(zé)人：張明、李紅；任務(wù)1.2：異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計理論框架研究（第3-4個月），負(fù)責(zé)人：王強；任務(wù)1.3：垂直互連物理特性建模與仿真（第3-6個月），負(fù)責(zé)人：趙剛；任務(wù)1.4：熱管理機(jī)理分析與模型建立（第5-7個月），負(fù)責(zé)人：劉洋；任務(wù)1.5：驗證測試技術(shù)研究方案設(shè)計（第8-9個月），負(fù)責(zé)人：陳飛；任務(wù)1.6：面向應(yīng)用的異構(gòu)芯片架構(gòu)初步設(shè)計（第10-12個月），負(fù)責(zé)人：孫偉。

***進(jìn)度安排：**第1-2個月完成文獻(xiàn)調(diào)研和需求分析；第3-4個月完成協(xié)同設(shè)計理論框架初稿；第5-6個月完成互連模型搭建與仿真驗證；第7-9個月完成熱管理模型建立與仿真；第10-12個月完成應(yīng)用場景架構(gòu)設(shè)計，形成詳細(xì)設(shè)計文檔。階段目標(biāo)：完成各研究方向的技術(shù)方案，建立初步仿真模型，形成應(yīng)用場景架構(gòu)設(shè)計文檔。

（2）第二階段：關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與仿真驗證（第13-24個月）

***任務(wù)分配：**

*任務(wù)2.1：異構(gòu)單元協(xié)同設(shè)計算法開發(fā)與仿真驗證（第13-18個月），負(fù)責(zé)人：張明、李紅；任務(wù)2.2：高密度垂直互連設(shè)計與優(yōu)化（第14-20個月），負(fù)責(zé)人：王強；任務(wù)2.3：集成化熱管理設(shè)計與仿真優(yōu)化（第15-22個月），負(fù)責(zé)人：趙剛；任務(wù)2.4：設(shè)計驗證與測試工具開發(fā)（第16-24個月），負(fù)責(zé)人：劉洋；任務(wù)2.5：芯片詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計與仿真（第19-24個月），負(fù)責(zé)人：孫偉。

***進(jìn)度安排：**第13-18個月完成協(xié)同設(shè)計算法開發(fā)與仿真驗證；第14-20個月完成互連設(shè)計與優(yōu)化；第15-22個月完成熱管理設(shè)計與仿真；第16-24個月完成驗證測試工具開發(fā)與芯片詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計與仿真。階段目標(biāo)：突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開發(fā)核心算法和設(shè)計工具模塊，完成芯片詳細(xì)設(shè)計與仿真驗證。

（3）第三階段：系統(tǒng)集成與原型/流片驗證（第25-36個月）

***任務(wù)分配：**

*任務(wù)3.1：芯片完整設(shè)計流程集成（第25-28個月），負(fù)責(zé)人：張明；任務(wù)3.2：系統(tǒng)級仿真與驗證（第29-32個月），負(fù)責(zé)人：李紅；任務(wù)3.3：原型制作或芯片流片方案制定與實施（第30-34個月），負(fù)責(zé)人：王強；任務(wù)3.4：功能原型/芯片級原型測試（第35-36個月），負(fù)責(zé)人：趙剛、劉洋、孫偉。

***進(jìn)度安排：**第25-28個月完成設(shè)計流程集成；第29-32個月完成系統(tǒng)級仿真與驗證；第30-34個月完成原型制作或流片方案實施；第35-36個月完成測試驗證。階段目標(biāo)：完成系統(tǒng)集成與驗證，獲取實際芯片樣品或功能原型，驗證設(shè)計方案的可行性。

（4）第四階段：成果總結(jié)與推廣應(yīng)用（第37-36個月）

***任務(wù)分配：**

*任務(wù)4.1：理論成果系統(tǒng)總結(jié)與論文撰寫（第37-40個月），負(fù)責(zé)人：全體核心成員；任務(wù)4.2：專利申請與學(xué)術(shù)交流（第38-42個月），負(fù)責(zé)人：張明、王強；任務(wù)4.3：項目技術(shù)文檔整理與標(biāo)準(zhǔn)化（第39-44個月），負(fù)責(zé)人：李紅、劉洋；任務(wù)4.4：項目結(jié)題報告撰寫與評審（第45-48個月），負(fù)責(zé)人：孫偉；任務(wù)4.5：成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用推廣（第46-50個月），負(fù)責(zé)人：全體核心成員。

***進(jìn)度安排：**第37-40個月完成理論成果總結(jié)與論文撰寫；第38-42個月完成專利申請與學(xué)術(shù)交流；第39-44個月完成技術(shù)文檔整理與標(biāo)準(zhǔn)化；第45-48個月完成結(jié)題報告撰寫與評審；第46-50個月完成成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用推廣。階段目標(biāo)：系統(tǒng)總結(jié)項目成果，完成論文發(fā)表、專利申請和技術(shù)文檔，形成結(jié)題報告，推動成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

（5）年度節(jié)點：每年末提交階段性報告，包括各階段任務(wù)完成情況、關(guān)鍵數(shù)據(jù)、存在問題與解決方案，由項目負(fù)責(zé)人評審，確保項目按計劃推進(jìn)。

2.風(fēng)險管理策略

（1）技術(shù)風(fēng)險：關(guān)鍵技術(shù)突破不確定性風(fēng)險。應(yīng)對策略：建立跨學(xué)科研發(fā)團(tuán)隊，引入外部專家咨詢；采用模塊化設(shè)計方法，分階段驗證關(guān)鍵技術(shù)；加強仿真與實驗驗證，及時調(diào)整技術(shù)路線。

（2）項目管理風(fēng)險：進(jìn)度滯后與資源協(xié)調(diào)風(fēng)險。應(yīng)對策略：制定詳細(xì)的項目計劃，明確任務(wù)依賴關(guān)系與里程碑；采用敏捷開發(fā)模式，動態(tài)調(diào)整資源配置；加強團(tuán)隊溝通與協(xié)作，定期召開項目會議，及時解決技術(shù)瓶頸。

（3）市場風(fēng)險：技術(shù)更新快，應(yīng)用需求變化。應(yīng)對策略：密切關(guān)注市場動態(tài)，加強與產(chǎn)業(yè)界的合作，確保技術(shù)路線與市場需求匹配；建立快速響應(yīng)機(jī)制，靈活調(diào)整技術(shù)方案。

（4）知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險：核心技術(shù)的專利保護(hù)與規(guī)避。應(yīng)對策略：強化知識產(chǎn)權(quán)意識，及時進(jìn)行專利布局；建立完善的知識產(chǎn)權(quán)管理體系；加強技術(shù)保密，防止技術(shù)泄露。

（5）風(fēng)險監(jiān)控與應(yīng)對：建立風(fēng)險數(shù)據(jù)庫，定期進(jìn)行風(fēng)險評估與應(yīng)對。應(yīng)對策略：制定風(fēng)險應(yīng)對計劃，明確責(zé)任人；通過仿真與實驗驗證風(fēng)險應(yīng)對措施的有效性；持續(xù)優(yōu)化風(fēng)險管理流程。

本項目將按照既定計劃穩(wěn)步推進(jìn)，通過科學(xué)的風(fēng)險管理策略，確保項目目標(biāo)的順利實現(xiàn)。

十.項目團(tuán)隊

1.團(tuán)隊成員專業(yè)背景與研究經(jīng)驗

本項目匯聚了在芯片設(shè)計、微電子材料與器件、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、熱管理等領(lǐng)域具有深厚學(xué)術(shù)造詣和豐富工程經(jīng)驗的專家學(xué)者和青年骨干，團(tuán)隊成員由國內(nèi)頂尖高校教授、研究機(jī)構(gòu)研究員及業(yè)界資深工程師組成，形成了涵蓋基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用驗證的完整人才梯隊。團(tuán)隊核心成員張明教授，長期從事先進(jìn)芯片設(shè)計研究，在異構(gòu)集成、系統(tǒng)級芯片（SoC）設(shè)計領(lǐng)域成果豐碩，主持完成多項國家級科研項目，發(fā)表高水平論文30余篇，申請專利20余項。李紅研究員在半導(dǎo)體器件物理與工藝方面具有深厚積累，主導(dǎo)研發(fā)多物理場耦合仿真平臺，相關(guān)成果已應(yīng)用于國內(nèi)芯片設(shè)計企業(yè)。王強博士在先進(jìn)封裝與互連技術(shù)領(lǐng)域深耕多年，專注于TSV工藝與熱管理方案設(shè)計，參與多項國家級芯片制造與封裝項目。趙剛博士在芯片熱管理領(lǐng)域取得突出成果，提出的嵌入式微通道散熱方案已應(yīng)用于高端芯片產(chǎn)品。劉洋工程師擁有豐富的EDA工具開發(fā)經(jīng)驗，曾參與國產(chǎn)EDA工具鏈的研發(fā)工作，為異構(gòu)芯片設(shè)計提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。孫偉高級工程師在芯片架構(gòu)設(shè)計方面具有前瞻性研究，主導(dǎo)設(shè)計多款面向特定應(yīng)用的加速器芯片。團(tuán)隊成員均具有博士學(xué)位，平均從事芯片設(shè)計研究10年以上，擁有豐富的項目經(jīng)驗，具備解決復(fù)雜技術(shù)問題的能力，為項目實施提供堅實的人才保障。

2.團(tuán)隊成員的角色分配與合作模式

本項目實行核心團(tuán)隊負(fù)責(zé)制，由張明教授擔(dān)任項目總負(fù)責(zé)人，統(tǒng)籌整體研究方向和技術(shù)路線，協(xié)調(diào)各子課題之間的協(xié)同工作。團(tuán)隊成員根據(jù)專業(yè)特長和研究經(jīng)驗，明確分工，各司其職，同時保持密切協(xié)作，形成優(yōu)勢互補。具體角色分配如下：

（1）張明（總負(fù)責(zé)人）：負(fù)責(zé)制定項目總體目標(biāo)與戰(zhàn)略規(guī)劃，協(xié)調(diào)各子課題研究方向的確定，整合關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，監(jiān)督項目進(jìn)度與質(zhì)量，對接外部資源。帶領(lǐng)團(tuán)隊申請國家級科研項目，推動產(chǎn)學(xué)研合作。

（2）李紅（子課題負(fù)責(zé)人）：負(fù)責(zé)異構(gòu)芯片協(xié)同設(shè)計理論與方法研究，帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)協(xié)同設(shè)計框架與算法，與應(yīng)用場景需求對接，完成異構(gòu)單元協(xié)同工作的系統(tǒng)化方法學(xué)。定期專題研討會，解決協(xié)同設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難題。

（3）王強（子課題負(fù)責(zé)人）：負(fù)責(zé)高密度垂直互連設(shè)計與