控制热量

建模芯片上的热特性和chip-package交互是先进的设计变得越来越重要,但是如何达成这一目标并不总是明确的。

每一个芯片,基于目标应用程序中,有一个热设计力量(TDP)目标。这是典型的权力可以使用没有超出了可接受的热限制在其预期的环境中。但是为了率计划书的芯片,最大允许温度等因素对可靠性和热影响必须清楚。

“死温度影响等因素在芯片内互连电阻、机械应力、平均失效到达时间(电迁移)和最大工作频率,“说,高级主管Arvind Shanmugavel应用工程有限元分析软件。“了解温度对这些参数的影响需要复杂multi-physics模拟。例如,平均失效到达时间有一个指数对温度的依赖。电迁移(EM)关闭需要做适当的意识空间温度的死亡。同样,电阻温度影响的金属互联芯片。”

他说,执行一个真正thermal-aware电阻提取芯片可以帮助预测准确的电压降。考虑到温度也会影响设备性能和长期可靠性,理解这些交互模拟所需温度可靠的电路模型和更好的预测分析。

特定于应用程序的需求
此外,特定于应用程序的要求,温度而言是非常重要的了解在设计IC。移动ICs操作寿命较短,一般两到三年,极小热由于被动冷却附件营业利润率。高性能计算放大器具有较长的操作lifetime-sometimes 10年他们有主动冷却散热片和风扇。相比之下,汽车ICs在恶劣的热环境中运作,尤其是ECU电子组件暴露在超过150°C。

“理解最终的应用程序是为这些集成电路进行可靠性仿真的关键,“Shanmugavel说。但是控制温度不是一个微不足道的任务,他认为应采取系统的方法了解能耗,操作环境和可靠性要求。“从早期建筑阶段,芯片设计者需要预测芯片的功率配置文件实时向量。使用这些权力配置文件作为指导,更精确的热模拟与适当的活动可以执行。”

一方面,准确的芯片上的电介质的热模拟需要适当的建模和金属互连特性,随着包布局。另一方面,系统级热分析需要使用计算流体动力学(CFD)类型模拟模型气流和适当的边界条件。

应对,而不是控制
热效果永远不会消失,不管多么好的设计。让最好的选择控制他们。

“以前热驱动例如增加时钟速度和切换损失已经超过了通过增加相应功能密度和功率密度的增加,”罗宾说Bornoff,市场开发经理导师图形。这些趋势一直热管理考虑设计的最前沿,并将继续这样做。”

直到可行的超导体和超导半导体材料可用——在短期内不太可能——权力将消散作为电气和电子流程的一部分,Bornoff说。“这力量导致温度的增加。确保温度不超过最大额定价值包括通灵,热功率从源头尽可能有效。总是会有一个最大的热瓶颈排热路径。热设计旨在消除这些瓶颈以成本有效的方式,它使用更热高效热界面材料,使用热管的热量转移到外围散热器,管道空气通过散热器,或使用风扇散热器的传热效率增加。有大量的热能管理方法可以采用。”

替代的材料
在材料方面,有一个替代方法高额定最大温度的材料。

“电力半导体,GaN和SiC比如果可以在更高的温度下操作,“Bornoff说。“除了增加成本和困难这样的新兴技术,他们需要后续修改包装由于这些增加的温度,如烧结将死去。键合线形变场失败增加温度和温度梯度可能通过剪辑成键。PCB分层开始转变成一个塑料状态一旦他们的玻璃化转变温度(Tg)。高Tg替代标准FR-4可用延迟这个过渡到更高的温度。”

实际上,尽管这些方法能够应对不断上升的温度,将继续有可靠性和舒适性的约束,将热帽是可实现的,他表示。因此,热管理将继续管理,而不是控制,这样一个未来。

大量利用初始设计,但解决这个设计并不是那么简单。“逻辑基于仿真的方法来估计我产生多少热量在芯片内是一个非常艰难的艺术,尤其是很多取决于软件是还没有写出来,”说,首席技术官超音速。“这是一个真正的问题。但很明显,人们建造芯片必须生活在热约束,所以我不会说它是失控。我会说很多人认为他们可以做得比他们在做什么现在从建模的角度来看。的工具进行分析设计,并给出一组可行的刺激,是向量,或emulator-based活动因素,或类似的东西,他们可以告诉你你有多坏掉。我不认为这是令人担忧的。”

更大的担忧是如何热因素问题提前为了预测在建筑阶段做得更好。这是因为建筑师通常需要相对较好的模型,迟到在这个过程中,他指出。

进一步,可以有一个大好处想做这种能量控制硬件。

“我们可以保持更多的时间更多的芯片,它帮助我们产生更少的热量,”Wingard说。“事实上,这种方法本质上导致事情时自动关闭自己完成他们在做什么意味着少了很多必要的分析,试图找出最坏的情况下真正的样子。你需要说服自己,在使用情况下你关心,你不使用所有芯片上的晶体管,显然你不能做很久。如果您正在使用的所有芯片上的晶体管一段时间之后,那么这是一个非常简单的计算从热的角度说,你烤面包。我们都知道。背后的原始洞察整个黑硅的现象,即晶体管使用如此多的能源,我们不能把它们都在相同的时间。”

建立不仅处理器,但是子系统和其他周围的其他模式,说他们会关掉自己当他们完成了他们在做什么,是一个伟大的方式开始一个更稳定的基础,他断言。“那你可以说,“我知道我在此用例中需要以下资源可用和运行。这里将会有多糟糕?然后我能做什么?”

答案往往涉及大量的微调。

”达到一定的速度的影响在系统层面上,学习,了解热剖面,然后设计你的架构基础上,可以使用很多帮助,”克里希纳Balachandran说,低功率产品管理主任节奏。“这是一个很大的区域,还很新和新兴的。”

Shanmugavel结算。“理解热行为的关键是正确模拟覆盖整个芯片方案和系统。我们生活在一个模拟驱动产品开发的黄金时代。应用正确的模拟来正确的问题是成功与失败的区别。”