芯粒異構(gòu)集成為半導(dǎo)體行業(yè)帶來了革命性的升級(jí)，能夠有效解決芯片設(shè)計(jì)和制造中的諸多瓶頸。然而，盡管高密度集成降低了算力芯片的成本，但同時(shí)也面臨著功耗顯著增加和散熱困難等技術(shù)挑戰(zhàn)，因此熱管理成為提升芯片性能的關(guān)鍵。為了應(yīng)對(duì)芯粒異構(gòu)集成的復(fù)雜性，開發(fā)新的熱仿真方法成為Chiplet熱管理技術(shù)的新要求。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，微電子所EDA中心的多物理場仿真課題組構(gòu)建了一個(gè)三維網(wǎng)格型瞬態(tài)熱流仿真模型，能夠高效準(zhǔn)確地模擬Chiplet集成芯片的瞬態(tài)熱流，為芯粒異構(gòu)集成的溫度熱點(diǎn)檢測和溫感布局優(yōu)化提供了核心技術(shù)基礎(chǔ)。此外，課題組在集成芯片的電熱力多物理場仿真方面也進(jìn)行了布局，開展了直流壓降、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了新的進(jìn)展。通過對(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，提升了仿真模型的精度，并優(yōu)化了集成芯片的溫度熱點(diǎn)檢測方法。同時(shí)，課題組構(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)了電熱雙向耦合的高效計(jì)算，能夠準(zhǔn)確描述集成芯片在焦耳熱效應(yīng)下的溫度變化。此外，基于上述模型和算法的研究進(jìn)展，課題組自主研發(fā)了晶圓級(jí)熱仿真模擬器，拓展了熱仿真方法至更大尺度。該模擬器不僅能為芯粒異構(gòu)集成芯片提供大尺度的熱仿真分析，還支持散熱器流體動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)，其仿真結(jié)果更接近實(shí)際應(yīng)用場景的溫度熱點(diǎn)預(yù)測，有助于優(yōu)化熱設(shè)計(jì)仿真流程。與有限元方法相比，模擬器的單元數(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，課題組已與國內(nèi)知名企業(yè)展開熱仿真關(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。

這些研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性A類先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。研究成果已發(fā)表在頂級(jí)期刊《Applied Thermal Engineering》和《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》上。微電子所研究生王成晗和馬曉寧為上述論文的第一作者，徐勤志研究員和李志強(qiáng)研究員為通訊作者。

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