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电子系统设计中进行片上热分析的四大挑战与应对

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电子系统设计中进行片上热分析的四大挑战与应对

在大约 138 亿年前的创生之初,我们的宇宙在 0  10-43 (10^(-43))秒的短短时间里产生和释放了大量的热量或能量,这在理论上得到了各种模型和测量数据的支持。自那以后,宇宙中各种各样的物理机制一直推动着能量不断转化为其他形式或者转化回热量,大到太阳中的核聚变,小到电子设备中计算机芯片上微型晶体管的自发热。而为了让每个系统都运行良好,无论是像病毒一样的活体,还是像智能手机一样的人造设备,工作温度范围都是与系统敏捷性息息相关的最重要因素之一。因此,在能量输入和输出的各种预期条件下,能够揭示系统内温度信息或分布的热分析将成为确保系统运行和性能的核心要素之一。

开发人员已经将片上热分析视为电子系统设计的关键要求之一。本质上,热传输是一个扩散过程,不同于电路中的电传输。电流流过导电路径,因此相关的电特性主要限于导电路径(金属材料)。而在评估大电势差下的电磁相互作用和介电击穿时,通常还会用到电材料。另一方面,尽管热传导在金属中通常比在电介质中更有效,但热量始终会无差别地在系统的所有材料中扩散。这就是进行系统级热传递分析的主要原因,系统中实际存在的所有材料都应包括在内。除了热传输会同时涉及到金属和电介质这一事实之外,与片上热分析的重要性和挑战相关的其他几个方面详述如下:

·       实际的片上功率分布图——片上功率分布图是进行热分析的必要信息,因为它可以展现出热量的产生或向系统的输入。如今,一个复杂的 IC 芯片可包含多个负责不同功能的 IP 块,并且每个块可以根据需要产生不同的功率值。如果没有详细且准确的片上功率分布作为输入条件,则热分析和温度分辨率将缺乏适用性和实用性。

·       瞬态电热协同仿真——如上所述,现代电子设备通常支持在芯片上使用多个块来执行不同任务,不论是在平衡或稳定状态下,还是在瞬态状态下,包括执行多任务时的切换操作状态下。仅基于稳态热分析的容许温度标准便不足以用于设计优化,因为这些标准可能会引入功耗方面的过度限制,而这在涉及瞬态操作的实际应用中可能并不现实。此外,电路中的焦耳热也应该包括在热分析中,因为它会产生额外的热源。由此产生的高温可能会改变电阻并进一步增强焦耳热效应,这会导致热逃逸的不利现象,甚至会导致出现系统故障。

系统级瞬态热分析:随着时间推移的温度分布

·       包括封装、PCB 和系统在内的环境影响——就像电一样,系统中产生或输入的热量会寻求阻力最小的路径从系统中流向外部环境。传统的片上热分析通常不会考虑片外热传输路径,主要是因为 1) 片上分析的粒度可能不容易在片外元件上实现,2) 片外元件的详细配置通常在片上热分析时不容易获得。然而,对封闭系统进行的热分析将无法满足不断发展的电子系统设计要求。

·       异质封装(3DIC 配置)——随着摩尔定律越来越接近片上临界尺寸的物理极限,设计人员如今都专注于在第三维度上构建器件,即芯片所在平面之外的器件。例如,一个异质封装结构可包含置于公共硅中介层上的多个芯片,这就是当前先进的 IC 芯片设计人员正在研究的代表性 3DIC 配置。3DIC 设计不仅在将多个异质元件集成到一个基板上时具有挑战性,而且异质设计还高度依赖于带有各种电源的元件之间的热行为和温度分布分析,从而通过优化设计来实现预期性能。

CelsiusTM Thermal Solver就是为应对此等挑战而生。为获得精确的片上功率分布图,通过被 IC 设计人员广泛采用的成熟功率分析技术,Celsius Thermal Solver可以与由 VoltusTM  生成的热模型相连接。Voltus 热模型包含了必要的物理参数:包括芯片内部不同层的详细功率分布、材料属性和金属密度信息。对于随后进行的电热协同仿真,功率分布可以处于稳态,也可以处于瞬态。

Celsius Thermal Solver还可以结合系统的封装、PCB 和外壳设计的详细或简化模型,以确保充分考虑从芯片到外部环境的热传递。其特别之处还在于集成了计算流体动力学(CFD)模块与有限元分析(FEA)模块于一个公共平台上,这为解决系统级热问题提供了一套完整的方法。

Celsius Thermal Solver既具有自己独特的功能特色,又易于与现有 Cadence 工具集成,可为解决电子系统设计中的片上热分析挑战提供整体的解决方案。如欲了解详细内容,欢迎点击产品页面

 

                                             摘自Cadence官方博客

2020年8月31日 14:25
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