摆脱热量芯片

权力被半导体产生热量,必须从设备中删除,但如何做到这一点有效是一个越来越大的挑战。

热是半导体的废品。时产生的力量消散在设备和电线。电力消耗当设备开关,这意味着它是依赖于活动,权力不断浪费了不完美的设备和电线。设计很少是完美的,和一些热量来自活动执行没有想要的功能。但在某种程度上,一个设计团队必须解决如何摆脱热量,因为如果他们不这样做,产品的生命周期会很短。

只有三个过程控制热量的传递——传导、对流和辐射。简而言之,传导适用于固体、液体和气体对流,真空和辐射,其中很少有半导体。

“有三个步骤与热有关,”马克说Swinnen营销主管Ansys的半导体业务。“生产、传导和耗散。你产生热量,你进行到某个地方,它消散。权力分析告诉你产生热量。传导和耗散,包括流体物理分析。所有三个必须包含在一个系统分析,因为它们之间的反馈。”

随着晶体管密度的增加,变得更加困难。“大多数人获得改变导电路径,“说Karthick Gopalakrishnan)产品工程师的摄氏温度热解决多重物理量系统分析小组节奏。“有潜力提高材料和设计本身带走更多的热量通过传导散热装置。有一个挑战,这些设备周围的房地产热,除非我们使用大量的服务器,是非常小的。你必须考虑材料改进,合理使用的房地产热在你的芯片或包或多氯联苯。你真正要做的是提高你的传导传热速率。”

把一个大型散热片在设备上可能会导致其他问题如果不进行正确的分析。正确,需要考虑气流和它所在空间的机械设计,这样对其他设备的影响考虑在内。

即使是散热片有限制。“有很多方法可以消除系统的热量,如强制液体冷却,”威廉说Ruby,产品管理主管Synopsys对此EDA集团。“我们看到许多进步的一些更高级的包装。3 d-ic设计,迫使空气流和液体冷却可以带到熊。有一些新概念能够减轻热通过特殊通过帮助传播。”

与导电性不同,哪里有数量级的导体和绝缘体之间的差异,热导率是有限的。“硅导电率为100到120瓦每米开尔文(W / (m x K),这并不是坏的材料进行热,”约翰·帕里说的电子和半导体行业主管Simcenter投资组合内西门子数字行业软件。“只有400铜,铜通常是作为最佳的热导体是什么经济经济。”

图1各种大型小型散热器和冷却板,例如在半导体所看到的西方2023年Malico公司展台。来源:半导体工程/苏珊兰博

还有其他经济因素。“一个数据中心的主要成本动因不是散热片的成本方法,而是操作成本管理数据中心级别的传热,“哈维尔DeLaCruz说,研究员和高级系统集成和开发主管手臂。“有一个有限的电力进入数据中心,喂养计算系统之间共享和提取热量。因此每瓦特性能必须感兴趣的指标,不单独表演。”

热性能产生重大影响。“即使最佳散热策略,每个死亡将加热电路操作期间不同,降解性能,“How-Siang Yap说产品经理Keysight EDA。“动态温度可以改变设备的电气特性,如增益、阻抗、load-pull不匹配,以及更高级的波形特征,如误差向量幅度(维生素)和相邻信道泄漏率(ACLR)在射频电路中数字调制信号。惩罚可以在模拟系统的影响。”

分析并不容易。“今天的芯片是这么复杂,很难定义如何创建活动,将显示最坏的条件下,“说Ansys同化。“当你看时机错误由温度引起的,你看着纳秒,最多几微秒。其次,电气参数和热力参数的时间常数是非常不同的,至少像两个数量级。当你得到热量,花朵,它慢慢地消散在芯片,和隔壁,所以你会看到热量增加,因为两秒钟前发生了什么事在隔壁街区。”

在芯片热量分布
热有四面八方的趋势。“你不能停止去任何地方热,“西门子帕里说。“你可以哄它,但它非常不同于电子世界,导体和绝缘体之间的区别可能是20岁,21个数量级的导电性。电可以使你可以去你想要的地方,但热你真的不能。”

因为热量取决于活动,芯片的表面不是一个常数,温度均匀分布。“你可以有一个热点由一个计算密集型部分的设计,像一个硬件加速器,“说Synopsys对此Ruby。”另一个部分的芯片可以不活跃或只使用在一个特定的模式操作。芯片的温度梯度工作负载或活动相关的。”

在理论上分散热量很简单,但在实践中要困难得多。“你想减少热点传播热量尽可能在任何层,“节奏的葛说。“你必须考虑的事情。东西搬到死亡的边缘并不总是可能的,因为你不热在一个方向上传播。”

虽然你可能无法控制热量,你可以理解它的传播。“如果你通过的电流模型连接芯片上看看的热通量,它不会很远之前都合并在一起,”帕里说。“你可以看看温度剖面,并没有显示任何痕迹之间的区别你和它们之间的绝缘体。如果你看看温度剖面,你几乎能够检测金属痕迹的地方。但如果你看看热通量,它在金属的数量级高于在绝缘子。”

使事情更容易一些。“它会让事情更容易建模时很多这个东西,”帕里补充道。“你可以得到非常准确的结果没有建模个人电线在模具表面,金属化层,但是仅仅使用普通材料属性,这是一个很常见的事。”

一个有效的方法是利用热意识到布图规划和细胞位置。”的基本理念是放置最小化的峰值温度和温度梯度,“Ruby说。“身体意识到RTL权力分析工具,可以分析初始位置,然后喂,权力配置文件数据到热分析。做左移位的分析基于最终批准,或完成的物理实现,可能会太迟开始改变宏观平面图。我们也可以看看通过密度、肿块密度,不同的金属密度。”

3 d-ics, tsv一直谈到作为一种创建热通道。说:“更好的TSV位置可以帮助葛。“但是有一个限制,因为他们确实占用宝贵的房地产的死。有很多潜在的在地板上把那些东西移来移去,计划,要么在芯片级当你谈论瓷砖或功率模块或功能单元,或在路由上,你想增加tsv。为他们的最大优点是你可以针对热点当你接近死亡或电源工作。”

但影响是有限的。“他们在某种程度上被用作热走廊,但如果你认为他们是铜,他们只有四倍导电硅,他们正在经历,”帕里说。“考虑一个单元电池,10,你有一个TSV在每一个角落。100年是4。因为tsv只有四次硅他们经历的导电率,你也许16%的有效电导率死去。它不热有很大的影响,虽然他们做的帮助,这不是一个银弹。”

另一个新兴技术背后的权力交付。“背后的力量有助于功率输出,但使散热更大的挑战,“DeLaCruz说。“大部分硅,这以前是一个伟大的局部热扩散的机制,已经从大约800微米的厚度只有一个微米,使当地的热点更难以管理。tsv不简化热管理,他们只是使它不同,tsv帮助非常本地化的方式,只在轴垂直于晶体管。周围的氧化物班轮tsv也阻碍横向热能耗散。”

3 d添加新热的问题。“如果你认为之间的胶水层死,这是很常见的,他们服务的目的机械修复死在一起,”帕里说。“你需要一定的厚度。否则,剪切太高之间的互联死,得到电刀具磨损。不幸的是,这些胶水层是一个相对较软材料比硅死去,也往往有一个相对较低的热导率。你有这个热力和机械之间的权衡。热,你想要尽可能薄层,使导热层尽可能高效。机械,你想要一个厚层,因为这允许您拿起两者之间的不匹配的位移模之间有相对较少的剪切的材料。”

外部的热量分布的筹码
热量可以逃避通过包的顶部,然后可能是散热片,或者通过底部和它连接到印刷电路板。“如果你有一个塑料over-molded BGA,然后你会把绝大多数(80%到90%)的热量,”帕里说。“如果你有一个包和一个很好的盖子传导路径,你可以安排一个好80%到90%的热量。你可以控制它,根据你的包装方法,但不完全。一些总是另一种方式。”

你想要热去哪里是特定于应用程序的。“在服务器上,有很多包,您可以利用的空间,”葛说。“你更倾向主动或被动散热片,和球迷,有助于消散很多热量。PCB本身是不会发挥重要作用在散热。当你去移动设备,这并不是一个解决方案,因为也许大约一半的热量经过底部和剩下的一半。在这种情况下,印刷电路板将发挥重要作用在芯片散热远离。”

当空间是有限的,它变得更加困难。“有不同的方法可以根据特定的市场,实现“手臂的DeLaCruz说。”例如,在智能手机,使用高导电的电影如石墨和石墨烯电影流行是由于最小体积和有效热扩散系统中。在基础设施领域,使用主动和被动3 d蒸汽室使操作到数百瓦的范围。”

液体冷却是另一种可能性。“对流是我们看到很多最近的进展,”葛说。“你有粉丝、液体冷却和两相系统。我们也有先进的系统,如浸冷却在数据中心级别。你看到很多路线图设计工程师及公司设备和系统,是谁添加液体冷却的路线图。这是因为如果你只是在设备上添加一个散热器,期望它冷却,它击中限制当你的散热是超过1千瓦每平方米。的粉丝,约为10千瓦每平方米。但是我们有1兆瓦每平方米这些天与先进的服务器设备芯片。你必须探索这些策略。”

并不是每个人都认为它将发现迅速采用。“虽然我们预计液体冷却发生在超级计算集群等专门的部署,这是不太可能生根广泛地说,“Madhu Rangarajan周二说,产品的副总裁安培计算。“重要的是硅设计师考虑实际的基础设施的限制,同时创造新的技术和协同工作与系统设计者和数据中心设计者开车到广泛的部署。我们期望,大多数cpu部署未来五年仍将需要风冷TCO有效的方式。”

模型与分析
热可以为第三方chiplet市场的一个绊脚石,因为chiplets需要热模型。“个人chiplets实际上不能孤立地从一个另一个设计,”帕里说。“每一个需要知道热源对其邻居死。有很多更多的合作中需要这些高密度的发展先进的包装设计。的方式开发这些东西必须改变为了使设计驾驭。”

创建模型并不简单。“有很多东西你真的不想披露在芯片热模型中,“葛说。“有努力添加自动加热效果,芯片的热阻特性的形式降维模型,或某种近似,未必会涉及有人知道每一个几何细节的存在在芯片内。目前,这是其中的一些芯片模型产生。”

工具需要改变。“世界3 d-ic是世界上综合模型,和基于模型的分析需要的地方,”说Ruby。“你不能做平的今天我们做的一切。在单个芯片上,我们时间签字和签字平网表级的力量。在3 d-ic上下文,它可能会变得不切实际,所以我们需要开始看各种组件建模”。

并最终汇集了设计和包装。“你需要把芯片设计工作流与包装设计工作流,”帕里说。“你不能把他们作为一个发生在其他之前,芯片给包装组,尤其是3 d-ics。但它适用,在某种程度上,在2.5 d。的挑战是类型的仿真技术,传统的包装工程师,也许从一个机械背景,使提供给人们做集成电路验证作为集成电路设计流程的一部分。不愿意使用机械工程师使用的工具集。它是可用的技术和重新包装它,这样的人需要使用更高的设计流。”

结论
许多芯片面临热的障碍,解决这个问题是不容易的。“不幸的事实是,热集成密度的限制因素,“说同化。“我们可以设计和制造令人难以置信的芯片,除了他们会融化。这不是一个制造限制,而不是设计限制。这是一个物理限制,我们不能得到更多的热量。”

而奇异的解决方案可用在某些应用程序中,大部分的市场必须设法用较少的资源做更多的事,这意味着更多的功能每瓦。与这相关的成本比过去的解决方案更大。