如何破解芯片熱管理難題

在信息時代，數據處理速度的不斷提升迫使我們面對一個巨大的挑戰：晶體管的密度已經達到了令人難以置信的水平，這些微小的數字開關產生的熱量比以往任何時候都要多。

盡管表面上看似容易管理，但實際上，這引發了一系列全行業都需共同解決的新問題——從EDA公司、工藝設備制造商、晶圓廠、封裝廠、到現場級監控和分析提供商、材料供應商、研究小組等。

Part 1

新技術帶來的挑戰

近年來，持續關注將更多晶體管封裝到固定區域，以及與泄漏功率的斗爭成為了行業的焦點。

然而，每一個新的節點都帶來了一系列需要解決的新問題。例如，環柵FET和復合FET等新的晶體管結構變革，雖然為性能提升帶來了希望，但也給設計、計量、檢查和測試帶來了更大的挑戰和成本。

●熱量與功耗的挑戰：電源問題，尤其是熱量問題，正是制約了當今芯片和系統設計的關鍵因素。持續增加的晶體管密度導致了更高的功率密度，這限制了時鐘頻率的提升。

因此，許多重要的改進都集中在晶體管本身的外圍技術上，如硬件-軟件協同設計、更快的物理層和互連、新材料的使用以及更稀疏的算法等。

●功耗密度與時鐘頻率的制約：隨著晶體管密度的增加，功耗密度也相應增加，從而限制了時鐘頻率的提高。

因此，必須尋找外圍技術的改進，例如硬件-軟件協同設計、更快的PHY和互連、新材料用于絕緣和電子遷移率、更稀疏的算法等。

●動態熱梯度與熱應力：在高密度芯片和封裝中，動態熱梯度成為一個令人擔憂的問題。瞬態熱梯度的不可預測性和變化性，可能導致熱應力，進而影響芯片的可靠性和性能。

●熱量帶來的問題：熱量不僅影響系統的性能，還可能導致一系列難以預測的問題。從電介質的擊穿、電遷移、到內存運行速度的降低，以及噪聲對信號完整性的影響，這些問題無一不在縮短芯片的壽命。

Part 2

應對策略

電力問題沒有單一解決方案，但有很多局部解決方案。

●限制過度設計，即根據目標用例確定必要功能，避免不必要的功能增加。

●在設計中考慮實際工作負載，以確保電力覆蓋范圍足夠。

●背面供電是一種選擇，特別是在最先進的節點上，可以減少功耗。

●利用芯片和封裝內部的傳感器來監測電源行為的變化也是一種方法。

●通過優化TSV布局和使用散熱通孔等方法，將熱量傳導到可以散熱的地方，可以有效減輕熱量問題。

電源問題與芯片的架構、布局布線、信號完整性、熱量、可靠性、可制造性和老化密切相關。解決這些問題需要整個行業共同努力，學會處理或解決與功率相關的各種影響。

行業需要更好地理解完整的系統堆棧，并采取相應的措施。針對瞬態熱梯度的建模和分析可以幫助工程師們更好地預測和解決問題。對于晶體管的新結構和工藝，需要不斷創新并加強模擬和測試手段，以應對可能的問題。從限制過度設計到在設計上運行實際工作負載，從背面供電到利用傳感器監測與電源相關的行為的變化，都是應對電源問題的方法。

小結

隨著技術的不斷進步，電源設計面臨的挑戰也在不斷增加。解決這些挑戰需要全行業的共同努力和持續創新，以確保芯片和系統的穩定運行，為信息社會的發展提供可靠的支持。

通過全面了解電源問題的本質，并采取合適的措施，我們可以為未來的芯片設計鋪平道路，使其更加高效、可靠和可持續。

審核編輯：黃飛