先進(jìn)IC設(shè)計中如何解決產(chǎn)熱對可靠性的影響？

來源：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)計中扮演著越來越重要的角色?，F(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)計的可靠性，并分析應(yīng)對熱效應(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)會顯著影響電子遷移，導(dǎo)致導(dǎo)線中的電子流動受到干擾。隨著溫度升高，電子在導(dǎo)線中的移動速度會減慢，導(dǎo)致電阻增加。這不僅降低了信號傳輸速度，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)會對計算過程產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

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

DRAM的運行依賴于電容器中電子的存儲，而溫度的升高會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，存儲電子的數(shù)量也隨之減少，使得溫度對數(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)可靠性問題。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，現(xiàn)代DRAM設(shè)計中引入了片上糾錯機(jī)制，通過額外的存儲單元和復(fù)雜的算法，確保在電子泄露或數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)時能夠及時檢測并糾正錯誤。

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小芯片并在三維空間中堆疊，電源路徑的長度和寬度變化，新材料的引入，都給熱管理帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。熱分析成為設(shè)計流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過精確模擬熱效應(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，電子穿越導(dǎo)線的過程會產(chǎn)生熱量，特別是當(dāng)導(dǎo)線長度增加或?qū)挾葴p小時，電阻率上升，所需驅(qū)動功率增大，隨之而來的熱量也會加劇。

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

設(shè)計者必須在早期階段就考慮熱效應(yīng)，通過材料選擇、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)，來應(yīng)對這一挑戰(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，溫度波動可能導(dǎo)致時序錯誤，甚至引發(fā)靜默數(shù)據(jù)損壞。為此，除了片上糾錯機(jī)制，還需在DRAM與主機(jī)間增設(shè)額外的位進(jìn)行錯誤檢測與糾正，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

小結(jié)

面對先進(jìn)IC設(shè)計中的熱挑戰(zhàn)，從材料科學(xué)到電路設(shè)計，再到系統(tǒng)級優(yōu)化，每一個環(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)計的巧妙布局，都在為實現(xiàn)高性能與高可靠性的完美平衡而努力。

在未來的IC設(shè)計中，如何在提升性能的同時控制熱量，將是一場持續(xù)的競賽，需要業(yè)界的共同努力與智慧。在先進(jìn)IC設(shè)計的征途中，熱量如同一道無形的壁壘，考驗著設(shè)計者的智慧與創(chuàng)造力。