Technologiegerechte 3D Verbindungsarchitekturen für heterogene, in monolithischer 3D Integration gefertigte SoCs

Monolithische 3D-Integration (M3D) ist eine disruptive Technologie für den Entwurf von 3D System-on-Chips (SoCs). Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Integrationsschemata erlaubt M3D eine sehr dichte Integration von vertikalen Verbindungen zwischen benachbarten Chipebenen (Tiers). Zusammen mit extrinsischer Heterogenität, d.h. der Kombination von Tiers mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für neuartige Architekturentwürfe und verbesserte Systemfunktionalitäten.
Diese Vorteile wurden bereits von vielen Arbeiten im Kontext von Verarbeitungselementen und Speichern aufgezeigt; für On-Chip-Kommunikationsarchitekturen wie Network-on-Chips existieren hingegen nur wenige Arbeiten. Darüber hinaus vernachlässigen diese Arbeiten oft den erheblichen Einfluss von fertigungsbedingter intrinsischer Heterogenität, wie die prozessbedingte Verschlechterung der Transistoren auf oberen Tiers, die Verschlechterung der Verbindungsleitungen auf unteren Tiers oder die ungleichmäßige Verteilung der Routing-Ressourcen zwischen den Tiers. Schließlich nutzen die bisherigen Arbeiten hauptsächlich die verringerten Leitungslängen in 3D, lassen dabei aber den erweiterten mikro- und makroarchitekturellen Entwurfsraum außer Acht.
Mit diesem Projekt wollen wir diese Lücken schließen, indem wir die Auswirkungen der Charakteristika monolithischer 3D Integration auf die Mikroarchitektur einzelner Netzwerkkomponenten und der Kommunikationsarchitektur untersuchen. Darüber hinaus werden wir die Auswirkungen dieser Modifikationen und erweiterter Entwurfsmöglichkeiten auf die Gesamtsystemarchitektur analysieren.

Dieses Projekt wird in vier Punkten zum Stand der Forschung auf diesem Gebiet beitragen:
1) Wir werden systematische Entwurfsrichtlinien sowie Architekturschablonen für optimierte 3D Verbindungsarchitekturen entwickeln. Diese werden sowohl extrinsische als auch intrinsische Heterogenität berücksichtigen.
2) Wir werden Modelle entwickeln, welche die Formulierung der Topologiesynthese von Network-on-Chips als Optimierungsproblem ermöglichen.
3) Wir werden Werkzeuge bereitstellen, welche eine systematische Entwurfsraumexploration unter Berücksichtigung aller relevanter M3D Technologieeigenschaften ermöglichen.
4) Zum Aufzeigen des Optimierungspotenzials werden wir zwei Demonstratoren erstellen, ein Vision-System-on-Chip und ein Multiprozessorsystem.

Die Ergebnisse dieses Projektes werden ein tiefgreifenderes Verständnis dafür ermöglichen, wie die disruptiven Eigenschaften der monolithischen 3D-Integration zur Verbesserung der Verbindungsarchitektur in 3D SoCs genutzt werden können. Dadurch wird die Entwicklung leistungsfähigerer Systeme unterstützt, welche mit aktuellen Entwurfskonzepten nicht realisiert werden können.

Technology-aware 3D Interconnect Architectures for heterogeneous SoCs manufactured in Monolithic 3D Integration

Monolithic 3D integration (M3D) is a disruptive technology for the design of 3D System-on-Chips. In contrast to more conventional 3D integration schemes, M3D permits a very dense integration of vertical interconnects between neighboring tiers. Together with extrinsic heterogeneity, i.e., the combination of tiers with different electrical characteristics, unprecedented opportunities for new architectural designs and extended system functionalities arise.
These benefits have been proven by numerous works addressing processing elements and memories; yet, for on-chip communication architectures such as Network-on-Chips, only few related works exist. Further on, these works often neglect the significant impact of intrinsic heterogeneity caused by monolithic fabrication, such as process-related transistor degradations on higher tiers, interconnect degradations on lower tiers, or the non-uniform distribution of routing resources among tiers. Finally, previous works primarily exploit wire length reduction in 3D, yet do not consider the extended micro- and macroarchitectural design space.
We want to address all of these shortcomings by analyzing how the characteristics of monolithic 3D integration affect the design of the microarchitecture of individual network components, and the architecture of the communication infrastructure. Furthermore, we will analyze the impact of these modifications and extended design options on the overall system architecture.
The project will provide four specific contributions to the scientific community:
1) It will provide systematic design guidelines and a set of architectural templates for optimized 3D interconnect architectures addressing extrinsic and intrinsic heterogeneity;
2) it will provide models for formulating Network-on-Chip topology synthesis as an optimization problem;
3) it will provide a toolset for supporting a systematic design space exploration, which accounts for all relevant M3D technology characteristics;
4) it will demonstrate the optimization potential by means of two demonstrators, a Vision-System-on-Chip and a multiprocessor system.

The main outcome of this project will be a deeper understanding on how the disruptive characteristics of Monolithic 3D integration can be exploited for improving the interconnect architecture in 3D integrated circuits. This allows for the design of optimized systems, not supported by current design concepts.