來(lái)源：芝能智芯

隨著電子設(shè)備性能的不斷提升和微縮技術(shù)的進(jìn)步，熱效應(yīng)在集成電路(IC)設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的角色。現(xiàn)代集成電路的高密度和復(fù)雜性使得熱量的產(chǎn)生和管理成為影響其性能和可靠性的關(guān)鍵因素。

本文將探討熱效應(yīng)如何影響先進(jìn)IC設(shè)計(jì)的可靠性，并分析應(yīng)對(duì)熱效應(yīng)的策略和方法。

Part 1

DRAM：熱與數(shù)據(jù)的微妙平衡

熱效應(yīng)會(huì)顯著影響電子遷移，導(dǎo)致導(dǎo)線中的電子流動(dòng)受到干擾。隨著溫度升高，電子在導(dǎo)線中的移動(dòng)速度會(huì)減慢，導(dǎo)致電阻增加。這不僅降低了信號(hào)傳輸速度，還可能引發(fā)電遷移，縮短器件的使用壽命。尤其在3D-IC和其他高密度封裝器件中，熱效應(yīng)會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

這些影響都會(huì)影響在芯片和組件封裝中正確傳輸預(yù)期信號(hào)的能力，通常會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸速度比系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度慢。這種傳輸延遲會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期信息的傳遞，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性。

DRAM的運(yùn)行依賴于電容器中電子的存儲(chǔ)，而溫度的升高會(huì)削弱電容器保持電子的能力，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電容器尺寸縮小，存儲(chǔ)電子的數(shù)量也隨之減少，使得溫度對(duì)數(shù)據(jù)保真度的影響更加顯著。

在高溫條件下，DRAM必須提高刷新率以補(bǔ)償電子的流失，這不僅增加了能耗，還可能引發(fā)可靠性問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，現(xiàn)代DRAM設(shè)計(jì)中引入了片上糾錯(cuò)機(jī)制，通過(guò)額外的存儲(chǔ)單元和復(fù)雜的算法，確保在電子泄露或數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)時(shí)能夠及時(shí)檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤。

在3D-IC和高密度封裝中，熱效應(yīng)的影響更為復(fù)雜。溫度上升會(huì)導(dǎo)致電氣特性變化，包括漏電增加和晶體管切換周期的不穩(wěn)定，從而影響信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和速度。在這些封裝結(jié)構(gòu)中，熱量的積聚和擴(kuò)散路徑變得異常復(fù)雜，傳統(tǒng)的散熱策略難以滿足需求。

隨著芯片被分解成多個(gè)小芯片并在三維空間中堆疊，電源路徑的長(zhǎng)度和寬度變化，新材料的引入，都給熱管理帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。熱分析成為設(shè)計(jì)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)精確模擬熱效應(yīng)，確保芯片在各種條件下都能保持穩(wěn)定性能。

Part 2

熱量與電阻率：

功耗與性能的博弈

在芯片通電時(shí)，電子穿越導(dǎo)線的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱量，特別是當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度增加或?qū)挾葴p小時(shí)，電阻率上升，所需驅(qū)動(dòng)功率增大，隨之而來(lái)的熱量也會(huì)加劇。

在高性能芯片設(shè)計(jì)中，功耗與性能的權(quán)衡成為永恒的主題。隨著芯片設(shè)計(jì)向異構(gòu)集成和3D堆疊發(fā)展，散熱路徑變得錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)的散熱解決方案難以奏效。

設(shè)計(jì)者必須在早期階段就考慮熱效應(yīng)，通過(guò)材料選擇、芯片位置優(yōu)化以及芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，如引入銅柱以增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

在高耗電工作負(fù)載下，如NVIDIA Grace Blackwell型服務(wù)器，不僅要考慮數(shù)據(jù)的正確傳輸，還要確保電力的穩(wěn)定供應(yīng)。熱梯度的變化直接影響到電力輸送的質(zhì)量和效率，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

在這些高性能系統(tǒng)中，電力輸送的挑戰(zhàn)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度并存，溫度波動(dòng)可能導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤，甚至引發(fā)靜默數(shù)據(jù)損壞。為此，除了片上糾錯(cuò)機(jī)制，還需在DRAM與主機(jī)間增設(shè)額外的位進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

小結(jié)

面對(duì)先進(jìn)IC設(shè)計(jì)中的熱挑戰(zhàn)，從材料科學(xué)到電路設(shè)計(jì)，再到系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要細(xì)致入微的考量。

隨著技術(shù)的演進(jìn)，熱管理策略也在不斷創(chuàng)新，從早期的熱分析到材料的精挑細(xì)選，再到電路設(shè)計(jì)的巧妙布局，都在為實(shí)現(xiàn)高性能與高可靠性的完美平衡而努力。

在未來(lái)的IC設(shè)計(jì)中，如何在提升性能的同時(shí)控制熱量，將是一場(chǎng)持續(xù)的競(jìng)賽，需要業(yè)界的共同努力與智慧。在先進(jìn)IC設(shè)計(jì)的征途中，熱量如同一道無(wú)形的壁壘，考驗(yàn)著設(shè)計(jì)者的智慧與創(chuàng)造力。