新的热的问题出现

热与闸门监控越来越重要在每个新节点密度持续增加,作为安全芯片开发汽车等关键市场。

这听起来可能违反直觉,因为设备扩展的目的是增加门密度。但在10/7和7/5nm,静态电流泄漏正在成为一个更大的问题,质疑多长时间finFETs之前将持续被取代吗gate-all-around场效应晶体管。此外,动态功率密度与门密度增加。这些因素都是导致越来越多的噪音问题从热的热点地区。

图1:棉酚场效应晶体管。来源:欧洲

在大型soc、热块之间的变异很大soc可以drastic-sometimes多达40到50°C(104到122°F)。

“这是工作温度相邻块之间的差异由于活动水平的变化,“说Magdy Abadir,负责营销的副总裁Helic。“这增加温度显著增加功率泄漏。此外,导线电阻随着温度增加而增加,这反过来意味着延迟随着温度的升高而增加。”

温度对设备的可靠性有不利影响,但不一定以预期的方式,并不总是立即。

“增加温度增加金属迁移,导致电线变窄,“Abadir说。”这也意味着自身电感这些电线将增加,从而引起磁耦合,增加化合物老化的影响。一块的温度是其活动概要文件的函数以及周围的温度。因此,布图规划和布局有强烈影响热剖面不同的块。监控温度可以识别热点,它可以触发控制机制来减缓活动。反过来,可以降低温度,减少高温的负面影响,如功率泄漏和可靠性。热监测也可以给早期迹象的地区易受早期失效的设计。”

热的问题已经记录在设备扩展,但他们正变得更难以在每个新节点地址。

“减少特征尺寸和介质厚度,有越来越多的考虑的温度和热应力可以夸大的压力和衰老的影响,“说Karthik Srinivasan,主要应用工程师有限元分析软件。”包括所有在电路模拟可靠性的影响是具有挑战性的,和替代方法正在积极看着解决这样的问题。”

宏观尺度上,设计师们正看着尽早预测热设计的热点地区,Srinivasan说。“虽然这个想法并不新鲜,半导体公司和系统房子看着更有条理的方法估算热剖面,通过模拟和仿真向量热点。他们是用于执行热意识到位置,甚至可以扩展它来执行软件优化避免/减少热的问题。”

也越来越多的采用先进的包装,热影响热耦合跨芯片等成为一个问题。”不用说,thermal-induced压力/疲劳也是一个挑战时铜柱、焊点和其他稀释剂用于2.5 / 3 d几何图形软件包,”他说。

汽车的问题
可能更严重的问题在汽车应用中,正在开发的芯片在10/7nm中央逻辑辅助和自主车辆。大多数advanced-node芯片热建模发生在设备,如智能手机,离开时关闭在炎热的太阳,直到达到一个可接受的操作温度。但是汽车电子需要函数在所有情况下,和温度下罩有时是极端的。在世界的某些地方沙漠地区,环境温度的140ºF(60ºC)在一年中最热那几个月并不罕见。

关于热“坏事是可靠性和温度有关,”Jerry赵说,产品管理总监节奏。“这就是为什么重要的是汽车芯片设计者。天性,汽车行业需要非常高的可靠性。这些芯片坐在车里你应该期望运行至少10年。再加上这一事实有时候会操作在非常热的环境中,像德克萨斯州,115°F (46°C)。谁知道这有多热。当你有非常高的温度下,当电流高,电迁移往往是更严重的,这基本上是由高温引起的。有更多讨论热影响的失败率增加需要认识到设备。如果你有100000个零件,在10年内将失败多少?统计数据显示,这将给你一个可靠的设计参数。 Of course, there are some technologies for how to diagnose it and make a fix based on the design.”

图2:高温警告在加州死亡谷。来源:insideclimatenews

这就是为什么汽车正在成为这样一个活跃的市场对于识别热影响为各种应用程序内部的车辆,包括大功率集成电路。

“集成电路的散热,几乎控制,“米克说Tegethoff, AMS产品营销主管导师,西门子业务。“传统工程团队所做的是确保芯片上的接点的温度是在一个安全的价值,所以他们对整个芯片作为一个单元作为散热而言。他们确保结温度是安全的。然后,当他们与香料仿真验证了设计或标准电池特性,他们用电源、电压、温度(PVT)角落,确保他们满足规格的所有温度。显然在高温下事情慢下来。在低电压的事情慢下来。低温和事情变得更快。这些都是很解决问题。”

然而,与高功率设备——具体来说,驾驶汽车的事情——大场效应晶体管驱动很多目前的产生需要大量的电力,和温度必须是那些消散,Tegethoff说。“这些大功率场效应晶体管通常会在一个单独的包,和设计团队本身处理,发现同样的事情。多年来他们开始特别地看到当意法半导体介绍了BCD过程热功率器件的问题是如此之大,他们不得不担心这是要做什么方面的实时热gradience整个芯片。”

这导致近距离工作与圣电热联合仿真技术。

“在一个辣妹模拟器,SPICE模型允许您指定一个温度/设备,所以这不是一个问题,“Tegethoff解释道。“问题成为你所说的温度,因为它会有所不同。电热联合仿真执行电子时域仿真,与热评估的局部温度电路,一步一步。有一个热解决工作与电子解算器,然后在所有的温度设备更新。然后求出电特性,然后他们可能想去“n”的时间步骤,再做一次。他们可以选择频率运行它。”

今天的技术是用于芯片设计与非常高功率设备在同一集成电路与数字逻辑,比如防抱死刹车或任何电动机驱动,需要很大的电流。“这是即使没有谈论一个电动马达驱动车轮,“Tegethoff说。“这是上下滚动窗口,还是移动的座位,或者踩刹车。

有比以往更多的兴趣在这种方法中各种soc,从高可靠性应用程序安全性和工业应用。但这不是唯一的方法。另一种准确监测热条件一个SoC是通过使用一个本地,响应嵌入式温度传感器。

”为此,高精度低功耗结温度传感器是商用,他们是嵌入到ASIC设计,”Stephen Crosher说的首席执行官Moortec。“这些可用于许多不同的应用程序,包括动态电压和频率扩展(dvf),设备寿命提高,设备特性和热分析。”

底线是监测电压advanced-node SoC设计中是一个关键因素,”这样的电路监测电压水平在核心逻辑电压域和提供准确的红外分析,“Crosher说。“测量范围可以定制,以适应每种技术。供应显示器还可以监视模拟(I / O)供应领域监测供应会枯萎和扰动的能力。”

这变得更加困难因为soc集成到子系统中使用先进的包装,因为热影响很难预测。耐热性会增加通过包堆栈的死亡不会直接接触散热片。同样,当两个核心操作接近彼此在不同的基质上,会发生意想不到的热点,推动热限制。热点也可能导致更快速老化在一些地区的SoC早期引起意想不到的失败。工程团队面对的一个问题是他们缺乏所需的数据识别这样的热点地区将形成。

工程集团正在寻找广泛TCAD /有限元模拟真实设计(或者至少是它的关键部分)要真正评估热应力的影响,ANSYS Srinivasan说。

其他的考虑
所有的这些影响是累积的。在一个系统中,热预算是附加的,这个系统可以在猎鹰重型火箭一样大,只是测试的特斯拉创始人伊隆麝香SpaceX。

据该公司介绍,重型猎鹰是世界上最强大的运营火箭两倍,能够提升送入轨道近64吨(141000磅)。质量大于737架满载乘客,船员,行李和燃料。重型猎鹰的第一阶段是由三个猎鹰9号nine-engine核心,其27个梅林引擎一起产生超过500万磅的推力起飞,大约等于18 747架飞机。所有的推力产生大量的热量。

在细节上没有现成的火箭科学家监控他们的热设计是如何影响,抑扬顿挫的赵指出,“我相信(Elon Musk)更关心比特斯拉的另一部分热,因为汽车是所有电池供电的,另一个层面的热死他的火箭。不仅仅是消费的权力,因为记住,权力导致温度上升。这也是可靠性的问题。如果你一直运行在非常高的温度下,故障率会更高。”

外卖是热影响上下文的需要预期系统的其他部分,不管这个系统是一个自治的电动车或火箭。随着半导体找到进入新的设备和承担新的角色在现有设备,有很多工作要做的模拟热影响在一个设备,以及描述这些设备上下文中的其他设备,系统,使用模型,今天可能不能被完全理解或占。