芯粒異構(gòu)集成給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)一次重大升級(jí),能有效解決芯片設(shè)計(jì)制造中的諸多瓶頸。然而,高密度集成在降低算力芯片成本的同時(shí)也面臨功耗顯著增加、散熱困難等技術(shù)挑戰(zhàn),熱管理成為提升芯片性能的關(guān)鍵問(wèn)題。如何針對(duì)芯粒異構(gòu)集成的復(fù)雜性,提出新的熱仿真方法,這對(duì)Chiplet熱管理技術(shù)提出了新的要求。

針對(duì)以上問(wèn)題,微電子所EDA中心多物理場(chǎng)仿真課題組構(gòu)建了芯粒集成三維網(wǎng)格型瞬態(tài)熱流仿真模型,能夠?qū)崿F(xiàn)Chiplet集成芯片瞬態(tài)熱流的高效精確仿真,為芯粒異構(gòu)集成溫度熱點(diǎn)檢測(cè)和溫感布局優(yōu)化奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí),課題組在集成芯片電熱力多物理場(chǎng)仿真方面進(jìn)行布局,開(kāi)展了直流壓降、熱應(yīng)力和晶圓翹曲仿真等研究工作。

近期,課題組在Chiplet熱仿真工具方面取得新進(jìn)展。通過(guò)對(duì)重布線層(RDL)、硅通孔(TSV)和凸點(diǎn)陣列進(jìn)行各向異性等效,構(gòu)建了從GDS版圖到系統(tǒng)級(jí)封裝的跨尺度各向異性熱仿真模型,在提升仿真模型精度的同時(shí)優(yōu)化了集成芯片溫度熱點(diǎn)檢測(cè)方法。同時(shí),構(gòu)建了芯粒異構(gòu)集成電熱耦合仿真模型,支持復(fù)雜互連結(jié)構(gòu)物性參數(shù)等效,實(shí)現(xiàn)了電熱雙向耦合高效計(jì)算,可準(zhǔn)確描述集成芯片焦耳熱效應(yīng)下的溫度變化行為。此外,基于以上模型和算法研究進(jìn)展,將熱仿真方法拓展至更大尺度,自主研發(fā)了晶圓級(jí)熱仿真模擬器。該模擬器能夠?yàn)樾玖．悩?gòu)集成芯片提供更大尺度的熱仿真分析,同時(shí)支持散熱器流體動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì),仿真結(jié)果更接近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的潛在溫度熱點(diǎn)預(yù)測(cè),有助于優(yōu)化熱設(shè)計(jì)仿真流程。與有限元方法相比,模擬器單元數(shù)量減少了2.78倍,運(yùn)行時(shí)間減少了25.9倍,相對(duì)誤差為0.38%。目前,課題組與國(guó)內(nèi)知名企業(yè)開(kāi)展了熱仿真關(guān)鍵技術(shù)合作,相關(guān)模型和算法正在進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

以上研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性A類先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持,研究成果先后發(fā)表在熱力學(xué)頂級(jí)期刊《Applied Thermal Engineering》 (A wafer-scale heterogeneous integration thermal simulator, DOI:10.1016/j.applthermaleng.2025.125459) 和微電子系統(tǒng)權(quán)威期刊《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》(A multiscale anisotropic thermal model of chiplet heterogeneous integration?system, DOI:10.1109/TVLSI.2023.3321933;An?electrical-thermal co-simulation model of chiplet heterogeneous integration systems, DOI: 10.1109/TVLSI.2024.3430498)上。微電子所研究生王成晗、馬曉寧為上述論文第一作者,微電子所徐勤志研究員和李志強(qiáng)研究員為上述論文通訊作者。

圖1 ?各向異性熱仿真

圖2??電熱耦合仿真

圖3?? 熱仿真模擬器