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半導(dǎo)體已受到熱量的限制，好的設(shè)計(jì)可以減少它，并幫助消散它。

半導(dǎo)體消耗的功率會(huì)產(chǎn)生熱量，必須將熱量從設(shè)備中排出，但如何有效地做到這一點(diǎn)是一個(gè)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

熱量是半導(dǎo)體的廢物。當(dāng)功率在設(shè)備和電線上耗散時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。設(shè)備切換時(shí)會(huì)消耗電力，這意味著它取決于活動(dòng)，并且不完美的設(shè)備和電線不斷地浪費(fèi)電力。設(shè)計(jì)很少是完美的，一些熱量來自于執(zhí)行不需要的功能的活動(dòng)。但在某些時(shí)候，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須弄清楚如何消除熱量，因?yàn)槿绻贿@樣做，產(chǎn)品的使用壽命將非常短。

只有三個(gè)過程控制熱量的傳遞：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。簡單來說，傳導(dǎo)適用于固體，對(duì)流適用于液體和氣體，輻射適用于真空，而這種情況在半導(dǎo)體中很少見。

“與熱量相關(guān)的三個(gè)步驟，” Ansys 半導(dǎo)體部門營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說道。“有產(chǎn)生、傳導(dǎo)和耗散。你產(chǎn)生熱量，將其傳導(dǎo)到某個(gè)地方，然后消散。功率分析告訴您熱量產(chǎn)生的位置。傳導(dǎo)和耗散是一種包括流體學(xué)的物理分析。所有這三個(gè)都必須包含在系統(tǒng)分析中，因?yàn)樗鼈冎g存在反饋。”

隨著晶體管密度的增加，這變得更加困難。“大多數(shù)人都可以改變導(dǎo)電路徑，”Cadence 多物理場(chǎng)系統(tǒng)分析小組的攝氏度熱解算器產(chǎn)品工程師 Karthick Gopalakrishnan說道。“材料和設(shè)計(jì)本身有改進(jìn)的潛力，可以通過散熱設(shè)備的傳導(dǎo)帶走更多熱量。面臨的挑戰(zhàn)是，除非我們使用大型服務(wù)器，否則這些設(shè)備周圍的熱空間非常小。您必須考慮材料改進(jìn)、芯片、封裝或 PCB 周圍熱空間的智能利用。你真正想做的是提高傳導(dǎo)傳熱率。”

如果不進(jìn)行正確的分析，僅僅在設(shè)備上放置一個(gè)大型散熱器就會(huì)導(dǎo)致其他問題。要做到這一點(diǎn)，需要考慮氣流及其所在空間的機(jī)械設(shè)計(jì)，以便考慮到對(duì)其他設(shè)備的影響。

即使散熱器也有局限性。“有很多方法可以消除系統(tǒng)中的熱量，例如強(qiáng)制液體冷卻，” Synopsys EDA 集團(tuán)產(chǎn)品管理總監(jiān) William Ruby 說道。“我們看到一些更先進(jìn)的封裝取得了許多進(jìn)步。通過 3D-IC 設(shè)計(jì)，可以采用強(qiáng)制氣流和液體冷卻。有一些關(guān)于能夠通過特殊通孔減輕熱量以幫助擴(kuò)散的新概念。”

與導(dǎo)體和絕緣體之間存在數(shù)量級(jí)差異的電導(dǎo)率不同，熱導(dǎo)率在某種程度上受到限制。“硅的電導(dǎo)率為 100 至 120 瓦/米開爾文 (W/(mx K))，作為導(dǎo)熱材料，這已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件旗下 Simcenter 產(chǎn)品組合的電子與半導(dǎo)體行業(yè)總監(jiān) John Parry 表示。“銅的電導(dǎo)率只有 400，而銅通常被用作經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)的最佳熱導(dǎo)體。”

各種大大小小的散熱器和冷板

還有其他經(jīng)濟(jì)方面的考慮。Arm系統(tǒng)集成與開發(fā)部研究員兼高級(jí)總監(jiān) Javier DeLaCruz 表示：“數(shù)據(jù)中心的主要成本驅(qū)動(dòng)因素不是散熱方法的成本，而是管理數(shù)據(jù)中心級(jí)別熱傳遞的運(yùn)營成本。”“進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的電力是有限的，這些電力在為計(jì)算系統(tǒng)供電和提取熱量之間共享。因此，每瓦性能必須成為關(guān)注的指標(biāo)，而不僅僅是性能。”

熱量會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生重大影響。“即使遵循最佳散熱策略，每個(gè)芯片在電路運(yùn)行期間也會(huì)不同程度地升溫，從而降低性能，” Keysight EDA產(chǎn)品經(jīng)理 How-Siang Yap 說道。“動(dòng)態(tài)溫度可以改變器件的電氣特性，例如增益、阻抗和負(fù)載牽引失配，以及更高級(jí)別的波形特性，例如數(shù)字調(diào)制信號(hào)的射頻電路中的誤差矢量幅度 (EVM) 和相鄰?fù)ǖ佬孤┍?(ACLR)。在模擬系統(tǒng)中，影響懲罰可能更高。”

分析并不容易。“當(dāng)今的芯片非常復(fù)雜，以至于很難定義如何創(chuàng)建能夠顯示最壞情況條件的活動(dòng)，”Ansys 的 Swinnen 說道。“當(dāng)您查看由溫度引起的計(jì)時(shí)誤差時(shí)，您看到的是納秒，最多幾微秒。其次，電參數(shù)和熱參數(shù)的時(shí)間常數(shù)非常不同，至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)熱量綻放時(shí)，它會(huì)通過芯片和隔壁慢慢消散，因此您會(huì)看到熱量因兩秒鐘前在隔壁街區(qū)發(fā)生的事情而增加。”

芯片內(nèi)的熱量分布

熱量傾向于向各個(gè)方向傳播。“你無法真正阻止熱量流向任何地方，”西門子的帕里說。“你可以哄它，但這與電氣世界非常不同，在電氣世界中，導(dǎo)體和絕緣體之間的電導(dǎo)率差異可能是 20、21 個(gè)數(shù)量級(jí)。從電氣角度來說，你可以讓電流流向你想要的地方，但從熱角度來說，你確實(shí)做不到。”

由于熱量取決于活動(dòng)，因此芯片表面的溫度并不是恒定、均勻分布的。“您可能有一個(gè)由設(shè)計(jì)中計(jì)算量非常大的部分創(chuàng)建的熱點(diǎn)，例如硬件加速器，”Synopsys 的 Ruby 說道。“芯片的另一部分可能不太活躍，或者只在特定的操作模式下使用。芯片上的溫度梯度取決于工作負(fù)載或活動(dòng)。”

散熱在理論上很簡單，但在實(shí)踐中卻困難得多。Cadence 的 Gopalakrishnan 表示：“您希望通過在任何層上盡可能多地傳播熱量來最大程度地減少熱點(diǎn)。”“你必須考慮東西放在哪里。將某些東西移動(dòng)到芯片邊緣并不總是可能的，因?yàn)樵谀抢餆崃坎粫?huì)向一個(gè)方向擴(kuò)散。”

雖然您可能無法控制熱量，但您可以了解它是如何傳播的。“如果你對(duì)流經(jīng)芯片上電線的電流進(jìn)行建模，并觀察由此產(chǎn)生的熱通量，那么在所有電流融合在一起之前，它不會(huì)走得太遠(yuǎn)，”帕里說。“你可以查看溫度曲線，這并不能真正顯示出走線和絕緣體之間的差異。如果您查看溫度曲線，您將幾乎無法檢測(cè)到金屬痕跡的位置。但如果你觀察一下熱通量，就會(huì)發(fā)現(xiàn)金屬中的熱通量比絕緣體中的熱通量高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。”

這讓事情變得容易一些。“對(duì)很多這樣的東西進(jìn)行建模時(shí)，它會(huì)讓事情變得更容易，”帕里補(bǔ)充道。“通過不對(duì)芯片表面上的單根導(dǎo)線、金屬化層進(jìn)行建模，而是僅使用平均材料屬性，您可以獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果，這是一種非常常見的做法。”

一種有效的技術(shù)是利用熱感知平面圖和單元布局。“基本思想是進(jìn)行布局以最小化峰值溫度和溫度梯度，”Ruby 說。“借助物理感知 RTL 功耗分析工具，您可以分析初始布局，然后將該功耗曲線數(shù)據(jù)輸入熱分析中。這是從基于最終簽核或完成的物理實(shí)施進(jìn)行分析的左移，這可能為時(shí)已晚，無法開始更改宏觀平面圖。我們還可以研究通孔密度、凸塊密度和不同金屬密度等。”

對(duì)于 3D-IC，TSV 一直被認(rèn)為是創(chuàng)建熱走廊的一種方法。“更好的 TSV 放置會(huì)有所幫助，”Gopalakrishnan 說。“但這也是有限制的，因?yàn)樗鼈兇_實(shí)占用了寶貴的空間。在布局規(guī)劃方面，無論是在芯片級(jí)別（當(dāng)您談?wù)搮^(qū)塊、電源塊或功能單元）還是在布線級(jí)別（當(dāng)您嘗試添加 TSV）時(shí)，都有很大的改變空間。對(duì)它們來說最大的優(yōu)勢(shì)之一是，當(dāng)您在芯片或電源附近工作時(shí)，您可以瞄準(zhǔn)熱點(diǎn)。”

但影響有限。“它們?cè)谀撤N程度上被用作熱走廊，但如果你把它們想象成銅，它們的導(dǎo)電率只有它們所穿過的硅的四倍，”帕里說。“考慮一個(gè) 10×10 的單元，每個(gè)角落都有一個(gè) TSV。這是百分之四。由于 TSV 的電導(dǎo)率僅為其所穿過的硅的電導(dǎo)率的四倍，因此您可能為芯片的有效電導(dǎo)率增加了 16%。它對(duì)熱量沒有太大影響，雖然它們確實(shí)有幫助，但它并不是靈丹妙藥。”

另一種新興技術(shù)是背面供電。“背面電源有助于電力傳輸，但使散熱成為更大的挑戰(zhàn)，”DeLaCruz 說。“體硅以前是局部散熱的重要機(jī)制，現(xiàn)在厚度已從約 800 微米發(fā)展到只有 1 微米，使得局部熱點(diǎn)更難以管理。TSV 并沒有使熱管理變得更容易，它們只是讓它變得不同，因?yàn)?TSV 以非常局部的方式提供幫助，并且僅在垂直于晶體管的軸上提供幫助。TSV 周圍的氧化物襯墊也會(huì)阻礙橫向熱能耗散。”

3D 增加了新的熱問題。“如果你想到芯片之間的膠水層，這是很常見的，它們的目的是將芯片機(jī)械地固定在一起，”帕里說。“你需要一定的厚度。否則，芯片之間的互連處的剪切力太高，并且會(huì)導(dǎo)致電氣損壞。不幸的是，與硅芯片相比，這些膠層是相對(duì)較軟的材料，并且還往往具有相對(duì)較低的導(dǎo)熱率。您需要在熱力和機(jī)械力之間進(jìn)行權(quán)衡。從熱學(xué)角度來說，您希望該層盡可能薄，以使通過該層的熱傳導(dǎo)盡可能有效。從機(jī)械角度來說，您希望有一個(gè)厚層，因?yàn)檫@樣可以吸收兩個(gè)模具之間位移的不匹配，而其間材料的剪切力相對(duì)較小。”

芯片外部的熱量分布

熱量可以通過封裝頂部逸出，然后可能進(jìn)入散熱器，或者通過底部及其所連接的 PCB 逸出。“如果您有塑料包覆成型 BGA，那么您將把絕大多數(shù)（80% 到 90%）的熱量傳遞到電路板上，”Parry 說。“如果你的封裝具有通往蓋子的良好傳導(dǎo)路徑，那么你可能可以安排 80% 到 90% 的熱量通過該路徑傳導(dǎo)。您可以控制它，具體取決于您所采取的打包方法，但不能完全控制。有些人總是走相反的路。”

您希望熱量流向的地方取決于具體應(yīng)用。“在服務(wù)器中，包裝周圍有很多空間可以利用，”Gopalakrishnan 說。“你傾向于用主動(dòng)或被動(dòng)散熱器以及有助于散發(fā)大量熱量的風(fēng)扇來填充它。PCB 本身不會(huì)在散熱方面發(fā)揮主要作用。當(dāng)您使用移動(dòng)設(shè)備時(shí)，這不是一個(gè)解決方案，因?yàn)榭赡艽蠹s一半的熱量通過底部，剩下的一半則到達(dá)頂部。在這種情況下，PCB 將在芯片散熱方面發(fā)揮重要作用。”

當(dāng)空間有限時(shí)，事情就會(huì)變得更加困難。“根據(jù)具體市場(chǎng)的不同，可以通過不同的方式來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”Arm 的 DeLaCruz 說道。“例如，在智能手機(jī)中，由于系統(tǒng)體積最小且散熱有效，石墨或石墨烯薄膜等高導(dǎo)電薄膜的使用非常普遍。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，主動(dòng)和被動(dòng) 3D 均熱板的使用可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百瓦范圍內(nèi)的運(yùn)行。”

液體冷卻是另一種可能性。“我們最近在對(duì)流領(lǐng)域看到了很多進(jìn)展，”戈帕拉克里希南說。“你有風(fēng)扇、液體冷卻和兩相系統(tǒng)。我們還擁有數(shù)據(jù)中心級(jí)別的浸沒式冷卻等先進(jìn)系統(tǒng)。您會(huì)看到很多設(shè)計(jì)工程師和制造設(shè)備和系統(tǒng)的公司的路線圖，他們將液體冷卻作為路線圖的一部分。這是因?yàn)椋绻皇窃谠O(shè)備上添加一個(gè)散熱器并期望它能夠冷卻，那么當(dāng)您的散熱量超過每平方米 1 千瓦時(shí)，它就會(huì)達(dá)到極限。如果使用風(fēng)扇，每平方米的功率約為 10 千瓦。但如今，我們擁有每平方米 1 兆瓦的先進(jìn)服務(wù)器設(shè)備芯片。你真的必須探索這些策略。”

并非所有人都認(rèn)為它會(huì)很快被采用。安培計(jì)算公司產(chǎn)品副總裁 Madhu Rangarajan 表示：“雖然我們預(yù)計(jì)液體冷卻將出現(xiàn)在超級(jí)計(jì)算集群等專業(yè)部署中，但它不太可能廣泛扎根。”“對(duì)于芯片設(shè)計(jì)人員來說，在創(chuàng)建新技術(shù)時(shí)考慮實(shí)際基礎(chǔ)設(shè)施限制并與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)人員合作以推動(dòng)其廣泛部署非常重要。我們預(yù)計(jì)未來五年部署的大多數(shù) CPU 仍需要以有效降低 TCO 的方式進(jìn)行風(fēng)冷。”

模型和分析

熱可能是第三方小芯片市場(chǎng)的絆腳石之一，因?yàn)樾⌒酒枰獰崮Ｐ汀！案鱾€(gè)小芯片實(shí)際上不能相互獨(dú)立地設(shè)計(jì)，”Parry 說。“每個(gè)芯片都需要了解其相鄰芯片上的熱源。這些高密度先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)的開發(fā)需要更多的協(xié)作。為了使設(shè)計(jì)易于處理，這些東西的開發(fā)方式必須改變。”

創(chuàng)建模型并不簡單。“有很多事情你確實(shí)不想在芯片熱模型中披露，”Gopalakrishnan 說。“人們正在努力以降階模型或某種近似的形式添加自熱效應(yīng)、芯片的熱阻特性，而這種近似不一定需要有人了解芯片中存在的每一個(gè)幾何細(xì)節(jié)。目前，部分芯片模型就是這樣生成的。”

工具也需要改變。“3D-IC 世界是綜合模型的世界，需要進(jìn)行基于模型的分析，”Ruby 說道。“你不可能像我們今天那樣把所有事情都平面化。在單個(gè)芯片上，我們?cè)诰W(wǎng)表級(jí)別上進(jìn)行時(shí)序簽核和電源簽核。在 3D-IC 背景下，這可能變得不切實(shí)際，因此我們需要開始考慮對(duì)各種組件進(jìn)行建模。”

最終它將設(shè)計(jì)和包裝結(jié)合在一起。“你需要將芯片設(shè)計(jì)工作流程與封裝設(shè)計(jì)工作流程結(jié)合起來，”帕里說。“你不能將它們視為一個(gè)發(fā)生在另一個(gè)之前的事件，即芯片被提供給封裝組，特別是在 3D-IC 中。但它在某種程度上適用于 2.5D。我們面臨的挑戰(zhàn)是采用傳統(tǒng)上由封裝工程師（可能具有機(jī)械背景）使用的模擬技術(shù)類型，并將其提供給進(jìn)行 IC 驗(yàn)證的人員作為 IC 設(shè)計(jì)流程的一部分。他們可能不習(xí)慣使用機(jī)械工程師使用的工具集。這是采用該技術(shù)并重新包裝它的情況，以便需要在更高的設(shè)計(jì)流程中使用它的人們可以使用它。”

結(jié)論

許多芯片都面臨熱障，并且解決該問題并不容易。“不幸的事實(shí)是，熱量是集成密度的限制因素，”Swinnen 說。“我們可以設(shè)計(jì)和制造令人難以置信的芯片，但它們會(huì)融化。這不是制造限制，也不是設(shè)計(jì)限制。這是物理限制，我們無法散發(fā)更多的熱量。”

盡管在某些應(yīng)用中可以使用奇特的解決方案，但大多數(shù)市場(chǎng)必須找到用更少的資源做更多的事情的方法，這意味著每瓦特具有更多的功能。與此相關(guān)的成本比過去的解決方案要大得多。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察編譯自semiengineering