热芯片平面布置图

热管理正在成为越来越多的关键芯片,它是越来越多的相互关联的因素之一,必须考虑整个开发流程。

同时,设计要求是加剧热的问题。这些设计必须提高利润率或变得更智能的方式生成热,分布式,消散。这是如此复杂,它也成为一种区分产品。

电力消耗的设备在一个芯片是转化为热能。热能的量包含在规定温度。反过来,温度是由热能的流动,或热,邻近地区,最终的设备。但这需要时间——通常在毫秒到秒——这就是今天超过大多数模拟执行。

智能手机使热管理的方式。“每个人都想要更多处理能力在他们的智能手机,这意味着权力大幅上升,“说Melika Roshandell,产品营销总监节奏。”与此同时,他们开始变薄,并导致一个热的问题。力量缓解策略是不够的,它需要的芯片将燃烧之前,他们甚至可以运行一个基准。他们认为更聪明。”

在其他领域,可靠性是一个驾驶需求。“一般来说,在设备的生命周期,增加一个额外的10摄氏度的失败率范围从2到10倍,”约翰·帕里说战略业务发展经理西门子EDA。“相对较高的温度可能会容忍为短时间内死亡的小区域,但多少次,可以重复之前的设备失败?”

一些公司已经吸取了教训。“我们肯定知道的几个公司设计失败,因为他们没有考虑热影响,他们就因为它燃烧,”约翰·弗格森说产品营销总监,口径刚果民主共和国在西门子EDA应用程序。“今天发生了多少计划?我会说很少,但是它开始改变。温度影响压力、时间、温度和权力和权力的影响。他们都互相影响,这使得它很难完全理解一个芯片内的一些条件。”

去除热量
最常见的方式来处理热的问题是通过删除设备的热量尽可能迅速。的域包设计师和系统架构师。“许多公司只是一个芯片的消费者,“节奏的Roshandell说。“他们没有能力改变芯片的热性能。他们必须坚持外部解决方案,这可以热界面材料或散热片。”

甚至可以需要一些重要的分析。“不仅是包施工,影响多少热量可以删除,“西门子帕里说。“环境也会影响多少热量注入或从董事会,或删除从顶部的包通过散热器。附加一个散热器,或使用一个内部热撒布机,使包的顶部温度分布更均匀。”

已经取得了很多进展包装技术。“考虑CPU芯片消散200 w,”伯尼Siegal表示,热能工程Associates的总裁兼首席执行官。“这规定的路径从芯片的热管理解决方案有最低的热阻芯片结温维持在一个可接受的水平。因此,bare-die的患病率,为大功率数字芯片倒装芯片BGA包。”

不同的行业解决方案。“高性能计算(HPC)吸引了大量的力量,但是他们可以自由选择任何类型的散热器、“Sooyong Kim说,导演和产品专家3 d-ic芯片包装系统和多重物理量有限元分析软件。“有时,人们使用液体冷却。他们可以使用任意数量的球迷。这些散热器非常笨重。但在手机,你不能有球迷或液体冷却。变得更重要的从你的芯片验证正常热量消散。你将不得不考虑整个结构,需要考虑到流。他们也需要平衡的成本制造”。

均匀性不再可以认为。“大多数半导体包设计的假设均匀加热(例如权力的均匀分布和温度),“茶的Siegal表示。“然而,这一假设并不适用范围广泛的芯片。许多芯片有一个或多个拓扑热点,将导致不均匀的温度和热流轮廓,导致限制芯片/包功率处理能力和包装设计需要更多的注意力。”

热扩散
在过去,该行业一直关注固定计算应用程序。“在这些应用程序中,死已经很厚,所以大部分硅行为传播自己的热量,减少在模具表面温度变化,”帕里说。“个人死在隔离设计,与总功耗,最大环境温度,和一个热阻指标用来评估模具温度。包是依靠模具温度充分统一。”

这意味着了解热时间常数。“从热时间的角度来看,过度加热影响设备需要更长的时间,因为热量传播有限的一段时间,“Siegal表示。“即时热点形成,周围的环境似乎作为一个“无限”散热器。热点温度只会增加热量持续和传播到环境中,导致结温上升。时间通常是在毫秒微秒范围。”

但这一直是手机行业的变化。“手机包约束和为了满足高度的限制,你必须减少任何你可以,”节奏的Roshandell说。“首先是模具厚度,这是最糟糕的事情你可以做热。硅是最好的散热器。如果你缩小模厚度从400微米到200微米,你会得到,你必须引发热更快地缓解策略。这意味着性能下降,因为你必须减少频率。”

行业正在努力解决这些问题。“很多努力进入热功率预算在死的方法,确保功率密度在不同功能区域的死很相似,“西门子帕里说。“这将导致配电尽可能接近一致。但问题是比热源温度分布不均分布不均,尽管这两个做关联。一个简单的解释是,函数在最高的性能,不同的功能单元相互沟通需要运行在相同的速度。速度是不利受温度的影响。时机问题出现在高速电路的温度不是接近统一。”

《引爆点》
当影响成本的问题,它得到人们的关注。“非均匀加热可能产生逻辑错误,模拟芯片可能没有获得或频率性能预期,或发光二极管(led)波长和输出光功率的变化,“Siegal表示。“在某些情况下,温度差异在芯片可以补偿电路设计的芯片。温度补偿的努力会导致产品成本上升,包括更多的设计工作,增加芯片的尺寸,和产品性能低。”

越来越多的设计变得multi-die。“有很多挑战一个死在一个包中,“Roshandell说。“想象一下,如果你有多个,他们不断地相互交谈。不仅你有热的挑战,但是你也有了重大压力的挑战。你也必须避免的一些热阻在你的包,这是空气。是什么材料,您可以使用它们来避免这些呢?”

这需要我们回到那些无盖的倒装芯片封装。“他们提供10到20摄氏度降低结温通过热的效率实现,”迈克汤普森说,高级产品经理赛灵思公司。“但这也需要co-planarity。平面意味着硅的上衣都是在一个平面上,它们都在相同的高度。如果死在一个无盖的包不是在相同的高度,这就意味着挑战或者是不可能得到一个散热器接触死亡,因此减少热能损耗。”

死叠加产生了新的问题。“今天在高性能计算、人工智能和机器学习,热敏记忆堆积的死,或位于非常接近耗电处理器的2.5 d / 3 d包,”帕里说。“这些死热交互。我们正在接近的模具和包装设计的社区都有走向合作设计工作流”。

热平面布置图
前面的分析更好的开始。“他们通常从以前的设计和一些早期的估计,”Kim说Ansys。“我们正开始看到3 d-ic设计必须决定模具的位置,或距离死亡。这个探索阶段可以任何硅设计前,所以他们从非常基本的信息,如技术、凹凸数字,厚度的包,类型的PCB,散热器和规范。他们想做的如果分析优化的位置和密度tsv,或决定有多少层,选择材料等。这些都是决定在探索阶段。然后他们可以决定如果这是一个很好的死并进一步探索。从探索阶段通过微调发生设计周期和签字。”

这一分析不能在真空中完成的,虽然。“设计师们正变得越来越聪明,他们正在做大量的平面布置图优化,不仅与大“诱导多能性”,如把cpu,将GPU,把调制解调器,但即使在IPs,“Roshandell说。“他们现在看看把逻辑,把内存内CPU核心。这样做有很多的挑战在平面布置图优化,但热只是其中之一。总有时间参与,这是一个比热更重要。也有生产(动力输送网络)和路由挑战挑战。和最重要的优化标准成本。很多时候当你做平面布置图优化,死的面积增加。增加意味着金钱。然后你必须评估如果这种平面布置图的性能优化和热约束条件是值得吗?”

随着时间的推移,公司可以提高优化过程的准确性。“一旦建立了通用包配置,收到你的计算和/或热建模是用于确定产品目标可以实现,“Siegal表示。“通常情况下,这些估计在±10%±20%范围内。精度取决于几件事情,如材料特性的知识,特别是作为温度的函数,物理维度,最终芯片功耗(PDiss)和芯片的功率被消散,另外,制造可重复性。一旦产品,模型迭代可以根据实际温度测量和校准这可以显著提高合成模型精度。”

后续的设计可能会增加的挑战。“随着每个新技术节点,晶体管变得越来越小,虽然每个晶体管功耗降低,他们挤得更密集在一起,”帕里说。“上面的金属化死更小更耐电,从而导致更高的电阻加热,介质下晶体管更薄,导致更高的泄漏。随着时间的推移越来越多的挑战和变得难以理解。总功耗的比例越来越多,这不是在晶体管驱动chip-package热联合仿真的必要性。”

问题邻接
除了成本之外,平面布置图必须考虑不仅仅是热的问题。“系统设计的某些方面比其他人更优先的决策,“Roshandell说。《动力输送网络就是其中之一。如果你不能满足生产需求,芯片不工作。比生产更重要的是时机。有一些障碍,尽管你知道平面布置图比另一个,你不能让它发生。生产和时间是两个因素,将停止一个平面布置图前进,即使我们知道最好。”

许多问题也联系在一起。“3 d集成设计的出现创造了高效的功率输出和热量之间的冲突的约束,“说Shidhartha Das,杰出的工程师手臂。“综合监管可以提供更好的控制3 d voltage-transients栈,虽然牺牲创造潜在热点电力场效应晶体管。小心平面布置图电力场效应晶体管、准确运行时power-introspection的一些关键的工具,需要开发高性能系统设计越来越有限的功率输出和热的担忧。”

其中一些问题是跨规程。“生产是一个领域机电需求工作,”帕里补充道。”在包底物铜及其CTE的刚度不匹配与其他包装材料提出了挑战。功率输出在模具表面金属化,通常铝、增加随着电流消耗的增加,而导线接近晶体管在每个流程节点收缩。薄线提供更多的电阻的电流,所以更多的热量消散。得到所需的电流的一个包,和模具表面到需要的地方,与一个可接受的电压降是现在一个非常艰难的问题,和一个将进一步恶化,如果电源电压降低。”

定义的场景
几个芯片工作在一个恒定的工作负载,这意味着静态分析不太可能被接受。“芯片内的温度梯度变化明显取决于IPs你使用,“Roshandell说。“一些基准重CPU用户,所以他们运行温度比,现代。您可能会看到接近30摄氏度之间的梯度核心根据用例,或权力配置文件,他们运行。中的热点核心可能得到的最大温度60摄氏度,而内存可能在30度。和你的电话,当你FaceTime手机中的所有IPs是活跃的。GPU是活跃的,现代是活跃的,您的CPU是活跃的,你的相机是活跃的。一切都是活跃在基准。”

在仿真运行这些基准是一个挑战。“一切都是动态的,”弗格森说。“你的力量正在改变,你的温度改变,,你需要看看这将如何影响一切重要的一段时间。你可能感兴趣的温度在一个给定的点,认为随着时间的推移和波形查看器。或者你可能想要一个MPEG视频的彩色地图,温度会随着时间而改变。这给用户放大的能力或在特定时间暂停,或寻找最大温度。数据越多,你必须给它,这些事情会越准确。但很难拉在一起,直到你有实际数据的每一块去。”

缓解
今天,大规模数字集成电路有一个数组芯片上的温度传感器,这样一个活跃的热管理策略可以用来节流的权力,通常通过减少时钟速度,当一个上层温度超过阈值。“现代处理器当前消费易受一个大动态范围与伴随的电压噪声和热热点问题,特别是在向量执行单元,“胳膊的达斯说。“热热点有较慢的时间常数相比,相对更快的电压噪声的瞬变。然而,缓解热热点经常依靠节流机制性能有不良后果。”

它还带来了重大挑战。“温度知道动态模拟可以使用模拟或仿真,”金说。“有必要证实,温度是实际控制。如果他们失败了,他们必须找到更好的温度位置或细化控制逻辑,确保这些情况不再发生。”

总的来说,社会变得越来越聪明,当考虑这些政策。“最初,基准定义,没有考虑热减排政策,“Roshandell说。“那芯片的客户变得更聪明,想知道热约束下的性能。所以热变得更加重要,因为他们知道,当热缓解,频率将下降,频率下降将影响基准分数。”

一些类比可以帮助把这个观点。“处理热挑战与应对挑战芯片有很多共同之处,”张明说,杰出的建筑师Synopsys对此。“首先,彻底想计划和探索一个选项,即。,进行建筑探索的早期理解设计指标,如性能、权力,大小,为了推动制造业和IP选项,选择之前很多昂贵的工作就完成了。第二,每个人都应该有一个全局视图执行时,即、设计和优化整个芯片或子系统的整体视图,这是尤其重要的3 d-ics热阻抗和负载/ chiplet相连的。第三,把柠檬变成柠檬水。只有这么多,可以用计划和优化。芯片设计者应该准备好利用片上监测和动态电压/频率扩展和负载调度后减轻热影响制造业。”

结论
热管理是今天不是每一个设计的关键问题,但越来越多的设计都受到它的影响。分析复杂性和时间分析时需要一个巨大的挑战,不仅因为相互关联的物理因素的数量,也完全理解所需的运行时间的影响。

虽然热缓解可以维护一个芯片,良好的热设计可以减少芯片必须被压制的可能性。这被认为是最重要的成本问题。