基于面积扩张与散热硅通孔的三维集成电路热量优化研究

摘要

随着集成电路工艺的发展,在后摩尔时代,芯片上的晶体管集成度越来越大。在传统的二维集成电路(Two-Dimensional Integrated Circuit,2D IC)不能负载的情况下,人们开始转向对三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)的研究。三维集成电路能通过在z轴上加入硅通孔(Through Silicon Via,TSV)实现上下层间的通信,多层堆叠可以使芯片具有封装尺寸小,互连线长短,带宽高的特性。这些传统芯片所不具有的特征优势使得3D IC成为近年来的研究热点。　　尽管3D IC能够解决传统2D IC的瓶颈问题,但是随着集成度的增加,高密度集成的有源器件使得3D IC的发热问题变得越来越严重,而且多层的堆叠带来了封装尺寸的缩减同时也对散热提出了挑战;此外,由于层与层之间的粘结材料的热导系数较低,这也使得远离散热器的一端的芯片层的热量难以传输到外界,温度过高的热斑不仅影响芯片的性能,甚至对芯片的可靠性带来严重的威胁。因此,要真正实现3D IC必须首先解决其热量问题,这也是3D IC的热量问题成为目前研究热点的原因。　　为了降低芯片的最高温度、平衡芯片的热量问题,本文主要从两个方面来优化三维芯片的热量问题:1.首先通过在传统模拟退火算法中加入对功耗密度的限制将所有电路模块划分到合适的层,使得热斑块在整体芯片的分布较为均衡;2.然后在每一层的x/y方向上对热斑块适当的面积扩张来降低热斑块的功耗密度,在z方向上插入散热硅通孔(Thermal Through Silicon Via,TTSV)来转移芯片内部的热量,使得各层内部的热量可以有效传输到外界。仿真结果表明,基于该优化方法芯片最高温度可以有效降低、芯片热量分布更加均衡,而且3D芯片层内最高温度与最低温度之间的差距大幅缩小,各电路层间最高温度的差距相对于优化前进一步减小。这表明该优化方法可以有效地控制了芯片的温度,平衡芯片中的热量。热量问题作为一个急需解决的问题,在3D IC的设计阶段就要被考虑到。因此,该方法在对考虑热量问题突出的3D IC的实现设计中具有一定的指导意义。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文内容概述及组织结构

第二章三维集成电路

2.1 三维集成电路

2.2 TSV技术

2.3 本章小结

第三章 3D IC的布图规划及热量模拟工具

3.1 3D IC的布图

3.2 布图规划的方法

3.3 3D IC的热模型

3.4 热量模拟工具HotSpot

3.5 本章小结

第四章 基于面积扩张和散热硅通孔的热量优化

4.1 研究动机

4.2 电路模块的均衡划分

4.3 热斑模块的扩张

4.4 TTSV的插入

4.5 实验结果与分析

4.6 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况