基于三维SiP的高性能微处理器热能关键技术研究

目录 ................................................................................................................. I 摘要 .. (i)

ABSTRACT ......................................................................................................... i i 第一章绪论 (1)

1.1 研究背景和意义 (1)

1.2 基于三维SiP的高性能微处理器的温度管理 (2)

1.3 国内外研究现状 (3)

1.3.1 三维SiP (3)

1.3.2 基于三维SiP的处理器 (3)

1.3.3 基于三维SiP的高性能微处理器的温度问题 (4)

1.3.4 TSV热建模与热分析 (6)

1.4 课题研究目标及主要工作 (8)

1.5 论文组织结构 (8)

第二章基于三维SiP高性能微处理器的热模型与热分析方法 (11)

2.1 三维集成系统的热建模 (11)

2.1.1一阶热模型(First-order Model) (11)

2.1.2紧凑热模型(Compact Thermal Model) (12)

2.1.3基于网格的热模型(Mesh-Based Thermal Model) (13)

2.2基于三维SiP的高性能微处理器的热模型与热分析 (13)

2.2.1基于三维SiP的高性能微处理器的结构 (13)

2.2.2 固体的热模型与热分析 (14)

2.2.3 液体的热模型与热分析 (18)

2.3 本章小结 (20)

第三章面向三维SiP的高性能微处理器的TSV热建模与热分析 (21)

3.1 三维SiP的TSV简介 (21)

3.2面向三维SiP的高性能微处理器的TSV热建模与热分析 (22)

3.3 3D-ICE模拟器的修改 (33)

3.3.1 3D-ICE介绍 (33)

3.3.2 三维SiP的高性能微处理器的温度模拟 (33)

3.3.3 3D-ICE模拟器修改 (36)

3.4 模型验证与讨论 (37)

3.4.2 TSV结构热分析 (42)

3.5本章小结 (47)

第四章基于三维SiP的高性能微处理器的温度管理 (49)

4.1 静态温度管理 (49)

4.1.1 微通道液体冷却的特点分析 (49)

4.1.2平面布局 (50)

4.1.3 TSV布局 (50)

4.1.4三维集成系统结构参数 (51)

4.2 动态温度管理 (51)

4.2.1 动态频率调节 (51)

4.2.2 动态流速调节 (51)

4.3 本章小结 (53)

第五章结束语 (55)

5.1 工作总结 (55)

5.2 研究展望 (55)

致谢 (57)

(59)

参考文献

作者在学期间取得的学术成果 (63)

表目录

表3. 1 内核平面布局的具体尺寸 (35)

表3. 2 缓存平面布局的具体尺寸 (35)

表3. 3 几何参数和热学参数 (35)

表3. 4 不同堆叠下芯片第一、二层的最高温度(K) (35)

μ) (38)

表3. 5 几何参数和热学参数(长度单位m

μ) (39)

表3. 6 内核平面布局的具体尺寸(单位m

表3. 7 底层die上各个单元的温度平均值 (41)

表3. 8 内核的平均温度 (44)

表3. 9 不同数量的TSV下的平均温度 (45)

表3. 10 不同TSV大小下的平均温度 (46)

表4. 1每一层的平均温度、最高温度、最低温度 (50)

图目录

图1. 1 二维和三维集成电路的互连线对比 (1)

图2. 1 一阶热模型 (12)

图2. 2 紧凑热模型 (13)

图2. 3 三维堆叠结构 (14)

图2. 4 热传递中一个固体控制体 (14)

图2. 5 一个固体节点的等效电路 (16)

图2. 6 一个固体节点与相邻节点的关系图 (17)

图2. 7 热传递中流体的一个控制体 (18)

图2. 8 一个液体节点的等效电路 (20)

图3. 1 TSV的一般制造流程 (21)

图3. 2 TSV的形状及其俯视图 (22)

图3. 3 TSV与热模型节点的结构关系 (22)

north south方向热导计算示意图 (23)

图3. 4 长方形TSV/

图3. 5 圆柱形TSV与节点的结构关系 (24)

north south方向热导计算示意图及其俯视图 (25)

图3. 6 半圆柱体的/

north south方向热导计算示意图 (26)

图3. 7 圆柱形TSV /

图3. 8 长方形TSV中心与节点中心不重合时热导计算示意图 (27)

图3. 9 半圆柱形中灰色区域热导计算示意图 (28)

图3. 10 圆柱形TSV中心与节点中心不重合时热导计算示意图 (29)

图3. 11 south方向热导计算示意图 (30)

图3. 12 考虑绝缘层的长方形TSV的一个节点俯视图 (31)

图3. 13 考虑绝缘层的圆柱形TSV俯视图 (32)

图3. 14 四内核的平面布局图 (34)

图3. 15 四缓存的平面布局图 (34)

图3. 16 验证实验采用的三维堆叠结构 (38)

图3. 17 热源层的平面布局图 (39)

图3. 18 采用3D-ICE模拟无TSV结构的三维堆叠得到的底层温度分布图 (40)

图3. 19 采用3D-ICE-TSV模拟具有TSV结构的三维堆叠得到的底层温度分布图 (40)

图3. 20 无TSV结构时底层的温度分布减去有TSV结构时的温度分布 (41)

图3. 21 TSV结构热分析平面布局图 (42)

图3. 23 TSV阵列位于内核north方向时的温度分布图 (43)

图3. 24 TSV数量为10X10时的温度与无TSV时的温度间的温差图 (44)

图3. 25 图3. 24的俯视图 (45)

图3. 26 平均温度与TSV数量的关系图 (46)

图3. 27 TSV大小与内核平均温度的关系 (46)

图4. 1 第一层的温度分布 (50)

图4. 2 功率不变的情况下温度与流速的关系 (53)

摘要

经过40多年的发展，集成电路工艺发展到深亚微米和超深亚微米阶段，给高性能微处理器的发展带来了很多困难和挑战。二维集成技术的功耗问题、访存问题、片上互连问题，制约着高性能微处理器性能的进一步提高。三维SiP是一种新的集成电路封装技术。通过在垂直方向堆叠多层芯片,三维SiP可提高芯片的集成度，并有效地减少互连线长度，为设计高性能、高集成度的集成电路、多核/众核微处理器提供了有利条件, 是未来集成电路重要的发展趋势。

三维集成电路中，多层芯片的垂直堆叠在使芯片的功率密度急剧增加的同时，还减少了芯片的散热表面积。由于中间芯片无法连接散热器，高性能微处理器原本严重的温度问题在三维SiP中加剧，其性能和可靠性受到严重影响。因此在基于三维SiP的高性能微处理器中，温度管理至关重要。基于三维SiP的高性能微处理器的设计和温度管理很大程度取决于在芯片早期设计阶段的热分析的效果和温度的分布、变化规律模拟的准确性。因此研究和建立精确、高效的热模型是十分必要的。

传统的空冷散热器已无法满足基于三维SiP的高性能微处理器的温度过高引入的散热需求。微通道液体冷却技术通过在芯片间建立微通道，采用更高效液体冷却散热，可快速排出芯片中的热量，降低芯片温度，是三维SiP的一种有效的散热技术。3D-ICE是一种流行的微通道液体冷却的三维集成电路的瞬态温度模拟器，本文在利用3D-ICE对基于SiP的性能微处理器的模拟过程中发现，不同层间的温度差异较大。而TSV作为三维SiP中重要的组成结构，由于采用高热导率的金属，能促进三维集成电路层与层间的热传导。因此在进行温度模拟的过程中考虑TSV对热传导的影响是很有必要的。基于此，本文首先分析TSV的结构，根据其结构特点，对方形和圆形TSV在不同位置、结构的情况下进行热建模。然后修改3D-ICE模拟器，使其能对TSV结构进行模拟，并对模拟器的正确性进行分析验证，并分析TSV在不同布局、数量、大小时对三维集成电路的影响。最后利用修改后的模拟器分析了三维SiP的散热特点，并据此从静态、动态两个方面提出适用于微通道液体冷却的三维集成电路的温度调节方案。

关键词：三维集成电路；三维系统级封装；高性能微处理器；微通道；液体冷却；硅通孔；热模型；温度调节