CN105718638A - 一种芯片三维热分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片三维热分析方法，包括以下步骤：S1、获取芯片数据，并根据一般随机算法生成转移区域表；S2、根据芯片数据，计算用于一般随机行走时所需的转移概率；S3、输入热源区域内待计算温度点的坐标，并结合基于混合随机行走算法的芯片热分析模型中对应的区域，根据转移概率进行一般随机行走方法的温度计算，根据转移区域表进行悬浮随机行走方法的温度计算；S4、完成该坐标的温度计算后，返回步骤S3，进行下一个待计算温度点的温度计算，直到完成所有输入坐标点的温度计算。本发明的分析速度较快，并且能够保证对芯片热分析的精度，计算得出芯片温度的精确分布情况，确保设计的芯片局部热点温度不会超过临界值。

Description

一种芯片三维热分析方法

技术领域

本发明涉及集成电路分析领域，尤其涉及一种芯片三维热分析方法。

背景技术

近年来，随着集成电路的发展，集成度越来越高，功耗成倍增加，芯片发热造成的局部高温热点会导致芯片性能下降，可靠性下降，甚至造成物理损坏。因此在设计初期就必须对芯片进行精确的热分析，计算芯片温度的分布情况，确保局部热点温度不超过临界值。

为了进行准确的芯片热分析，有必要考虑热扩散器、散热片等散热部件的影响，因此在热分析中处理的是包括它们与芯片的整体系统。由于散热片等部件的尺寸远大于集成电路芯片尺寸，使得进行芯片系统的整体热分析需要很长的计算时间。因此，为了减少计算量，可以只计算少量热点位置(已知需要重点关注的“热点”)的温度。这时采用一种随机行走方法比较有效，该方法将求解整个芯片系统的热方程转化为一个热电阻网络，然后在该网络上使用基于网格的随机行走方法，下面称为“一般随机走方法”。

悬浮随机行走方法是不同于一般随机行走方法的另一种随机行走方法，它的每次随机跳转并不局限于体积元，而是使用一种可放缩的空间转移区域，从转移区域中心点跳到转移区域边界上的某点。因此，为了进一步加快一般随机行走方法的计算速度，我们可以采用混合随机行走算法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中进行芯片热分析的方法计算时间过长的缺陷，提供一种结合一般随机行走方法和悬浮随机行走方法，且能够快速的进行热分析的芯片三维热分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种芯片三维热分析方法，包括以下步骤：

S1、获取芯片数据，包括芯片与散热部件的几何信息、材料热导率信息、芯片上热源区域的分布情况和各个外部边界的边界条件以及位于热源区域内待计算温度点的坐标，并根据一般随机算法生成转移区域表；

S2、根据芯片数据，计算用于一般随机行走时所需的转移概率；

S3、输入热源区域内待计算温度点的坐标，并结合基于混合随机行走算法的芯片热分析模型中对应的区域，根据转移概率进行一般随机行走方法的温度计算，根据转移区域表进行悬浮随机行走方法的温度计算；

S4、完成该坐标的温度计算后，返回步骤S3，进行下一个待计算温度点的温度计算，直到完成所有输入坐标点的温度计算。

进一步地，本发明的步骤S1中生成转移区域表的具体方法为：

构造一个均匀热导率材料的长方体转移区域，其长宽高分别为k*k*1，k为奇数，并对其设置预设的有限差分网格，得到对应的电阻网络；从长方体转移区域的中心位置的体积元的中心点开始执行M次一般随机行走方法，当每次随机行走到达与长方体转移区域表面接触的体积元中心点时，则终止该次随机行走；

在x方向上，终点体积元的中心点与起始体积元的中心点的距离为dx,长方体转移区域的x方向长度为2*lx，则x方向上的比率为：

r_xi＝dx/lx

在y、z方向上进行同样的操作，最后将(r_xi,r_yi,r_zi)作为长度为M数组的一个元素，其中M为整数。

进一步地，本发明的步骤S3中的基于混合随机行走算法的芯片热分析模型包括芯片上的热源区域、保护区域、空白区域和反射边界，在热源区域上进行一般随机行走方法，在空白区域采用悬浮随机行走方法，反射边界采用基于反射机制的悬浮随机行走方法。

进一步地，本发明的步骤S3中一般随机行走方法的具体为：根据轮盘选择策略从当前体积元的中心跳到与其相邻的某个体积元中心，如果当前体积元某几个方向没有体积元与其相邻，则这些方向不能进行行走，该限制通过位向量来实现。

进一步地，本发明的步骤S3中一般随机行走方法的具体步骤为：

分配6个位，其中两个位分别表示可以进行x正方向行走和可以进行x负方向行走，同理，y、z方向分别分配两个位，若只有x正方向不可以进行行走，则对x正方向对应的位设置0，其他方向都设置1，然后根据轮盘选择策略对位向量进行解析，从而得到一般随机行走的下一个体积元。

进一步地，本发明的该方法在多核CPU系统环境下，基于线程池实现混合随机行走算法的并行化。

本发明产生的有益效果是：本发明的芯片三维热分析方法，通过结合一般随机行走方法和悬浮随机行走方法，提出了一种快速计算芯片热点位置温度的混合随机行走方法，并根据该方法进行对应芯片模型的热分析，该方法的分析速度较快，并且能够提高对芯片热分析的精度，计算得出芯片温度的精确分布情况，确保设计的芯片局部热点温度不会超过临界值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的芯片三维热分析方法的流程图；

图2是本发明实施例的芯片三维热分析方法的转移区域表的生成过程的示意图；

图3是本发明实施例的芯片三维热分析方法的基于混合随机行走方法的芯片热分析模型的示意图；

图4(a)是本发明实施例的芯片三维热分析方法的用于悬浮随机行走方法的转移区域表的大小(a)；

图4(b)是本发明实施例的芯片三维热分析方法的用于悬浮随机行走方法的转移区域表的大小(b)；

图4(c)是本发明实施例的芯片三维热分析方法的用于悬浮随机行走方法的转移区域表的大小(c)；

图5是本发明实施例的芯片三维热分析方法的坐标修正的示意图；

图6是本发明实施例的芯片三维热分析方法的基于反射机制的混合随机行走方法原理图；

图7(a)是本发明实施例的芯片三维热分析方法的在每个均匀材料子区域内进行均匀网格划分(a)；

图7(b)是本发明实施例的芯片三维热分析方法的在每个均匀材料子区域内进行均匀网格划分(b)；

图7(c)是本发明实施例的芯片三维热分析方法的在每个均匀材料子区域内进行均匀网格划分(c)；

图中，1-热源区域，2-保护区域，3-空白区域，4-反射边界。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的芯片三维热分析方法，包括以下步骤：

S1、获取芯片数据，包括芯片与散热部件的几何信息、材料热导率信息、芯片上热源区域的分布情况和各个外部边界的边界条件以及位于热源区域内待计算温度点的坐标，并根据悬浮随机算法生成转移区域表，将该转移区域表保存于二进制文件中。

如图2所示，表示了在生成转移区域表时，一次随机行走从开始到结束的过程，生成转移区域表的具体方法为：

构造一个均匀热导率材料的长方体转移区域，其长宽高分别为k*k*1，k为奇数，并对其设置预设的有限差分网格，得到对应的电阻网络；从长方体转移区域的中心位置的体积元的中心点开始执行M次一般随机行走方法，当每次随机行走到达与长方体转移区域表面接触的体积元中心点时，则终止该次随机行走；

在x方向上，终点体积元的中心点与起始体积元的中心点的距离为dx,长方体转移区域的x方向长度为2*lx，则x方向上的比率为：

r_xi＝dx/lx

在y、z方向上进行同样的操作，最后将(r_xi,r_yi,r_zi)作为长度为M数组的一个元素，其中M为整数。

S2、根据芯片数据，计算用于一般随机行走时所需的转移概率；对应的转移概率保存在数组中。其中采用一般随机行走从i结点转移到j结点的概率公式为：

$P(i,j)=\frac{G_{ij}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{d\left(i\right)}{G}_{ij}}$

其中G_ij为i结点和j结点之间的热导，d(i)为与i结点相邻的体积元的个数。

S3、输入热源区域内待计算温度点的坐标，并结合基于混合随机行走算法的芯片热分析模型中对应的区域，根据转移概率进行一般随机行走方法的温度计算，即根据一般随机行走的当前位置，通过查询对应预先计算好的转移概率来选择下一个体积元的位置，根据转移区域表进行悬浮随机行走方法的温度计算，从长度为M的转移区域表，随机选取一个元素，设为Mi，然后根据Mi与当前确定的转移区域表的大小做乘积,从而计算出该次悬浮随机行走的终点位置；

如图3所示，基于混合随机行走算法的芯片热分析模型包括芯片上的热源区域1、保护区域2、空白区域3和反射边界4，在热源区域1上进行一般随机行走方法，在空白区域3采用悬浮随机行走方法，反射边界4采用基于反射机制的悬浮随机行走方法。

一般随机行走方法的具体为：根据轮盘选择策略从当前体积元的中心跳到与其相邻的某个体积元中心，如果当前体积元某几个方向没有体积元与其相邻，则这些方向不能进行行走，该限制通过位向量来实现，其具体步骤为：

分配6个bits，其中两个位分别表示可以进行x正方向行走和可以进行x负方向行走，同理，y、z方向分别分配两个位，若只有x正方向不可以进行行走，则对x正方向对应的bit置0，其他方向都置1，然后根据轮盘选择策略对位向量进行解析，从而得到一般随机行走的下一个体积元。

S4、完成该坐标的温度计算后，返回步骤S2，进行下一个待计算温度点的温度计算，直到完成所有输入坐标点的温度计算。

该方法在多核CPU系统环境下，基于线程池实现混合随机行走算法的并行化。

在本发明的另一个实施例中，混合随机行走方法步骤如下：

(a)读取芯片系统中芯片与散热部件的几何信息、材料热导率信息、芯片上热源区域的分布情况和各个外部边界的边界条件，以及需要计算温度的点的几何坐标(x0,y0,z0)，该点应在热源区域内；

(b)计算用于一般随机行走的转移概率，并将转移概率保存到计算机内存中；

(c)读取相应的转移区域表计算机内存中；

(d)初始化温度结果Ttot＝0,初始化随机行走路径数目npath＝0；

(e)初始化当前点pt＝(x0,y0,z0)，初始化当前随机行走路径的温度估计值T[npath]＝0；

(f)若当前点pt处于一般随机行走区域，如果上一次随机行走采用的悬浮随机行走方法，则需要对当前点坐标进行修正，设修正后对应网格编号为j,若pt还在热源区域，更新温度T[npath]＝T[npath]+reward(j)，并根据当前坐标位置对位向量进行置位，然后根据轮盘选择策略对位向量进行解析，然后进行一次一般随机行走跳转，更新当前点pt，否则，当前点pt处于悬浮随机行走区域内，以pt为中心，确定转移区域表的大小，然后更新当前点pt；

(g)若当前点pt处于温度已知为T0的外边界点，则T[npath]＝T[npath]+T0,npath＝npath+1,执行步骤(i)，否则转到步骤(f)；(i)判断是否满足随机行走收敛的条件，若满足则计算温度与相应的误差，否则转到步骤(e)。

如图4(a)所示，n0点为悬浮随机行走的起点，通过比较d_x1,d_x2,d_z1,d_z2,d_y1,d_y2选取其中最小的数值来作为长方体转移区域的大小，假设最小值为d_z1。

如图4(b)所示，根据图4(a)中的值来选定转移区域表的大小，然后从中随机选取本次悬浮随机行走的终点，假设为n_i。

如图4(c)所示，选取上一次悬浮随机行走的终点n_i作为悬浮随机行走的起点，并且确定转移区域的大小，从而进行下一次悬浮随机行走。

如图5所示，用于从悬浮随机行走退化为一般随机行走时的坐标修正，即使得一般随机行走的起点为体积元的中心点。假设悬浮随机行走的终点为n₀,则n₀修正到右侧相邻体积元中心的距离的概率为l1/(l1+l2),到左侧相邻距离为l2/(l1+l2)。

如图6所示，为采用反射悬浮随机行走原理图，点p为当前悬浮随机行走的起点，把芯片模型的右侧面相当于一个镜面，假设悬浮随机行走的终点为pi,则此时悬浮随机行走的终点根据反射，则为P’i。

如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示，表示在每个均匀材料子区域内进行均匀网格划分，在每个体积元的中心设置一个电路节点，相邻体积元的中心点通过一个热电阻相连，热电阻的计算分两种情况如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)表示两个体积元在同一区域内，则x方向的热阻为Rx＝hx/(k*hy*hz),y和z方向的热阻计算类似(k为该区域的热导率)。图7(c)表示两个体积元位于不同区域，则此时的Z方向的热阻计算公式为：

Rz＝hz1/(2*k1*hx*hy)+hz2/(2*k2*hx*hy)

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种芯片三维热分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取芯片数据，包括芯片与散热部件的几何信息、材料热导率信息、芯片上热源区域的分布情况和各个外部边界的边界条件以及位于热源区域内待计算温度点的坐标，并根据一般随机算法生成转移区域表；

S2、根据芯片数据，计算用于一般随机行走时所需的转移概率；

S3、输入热源区域内待计算温度点的坐标，并结合基于混合随机行走算法的芯片热分析模型中对应的区域，根据转移概率进行一般随机行走方法的温度计算，根据转移区域表进行悬浮随机行走方法的温度计算；

S4、完成该坐标的温度计算后，返回步骤S3，进行下一个待计算温度点的温度计算，直到完成所有输入坐标点的温度计算。

2.根据权利要求1所述的芯片三维热分析方法，其特征在于，步骤S1中生成转移区域表的具体方法为：

构造一个均匀热导率材料的长方体转移区域，其长宽高分别为k*k*1，k为奇数，并对其设置预设的有限差分网格，得到对应的电阻网络；从长方体转移区域的中心位置的体积元的中心点开始执行M次一般随机行走方法，当每次随机行走到达与长方体转移区域表面接触的体积元中心点时，则终止该次随机行走；

在x方向上，终点体积元的中心点与起始体积元的中心点的距离为dx,长方体转移区域的x方向长度为2*lx，则x方向上的比率为：

r_xi＝dx/lx

在y、z方向上进行同样的操作，最后将(r_xi,r_yi,r_zi)作为长度为M数组的一个元素，其中M为整数。

3.根据权利要求1所述的芯片三维热分析方法，其特征在于，步骤S3中的基于混合随机行走算法的芯片热分析模型包括芯片上的热源区域(1)、保护区域(2)、空白区域(3)和反射边界(4)，在热源区域(1)上进行一般随机行走方法，在空白区域(3)采用悬浮随机行走方法，反射边界(4)采用基于反射机制的悬浮随机行走方法。

4.根据权利要求1所述的芯片三维热分析方法，其特征在于，步骤S3中一般随机行走方法的具体为：根据轮盘选择策略从当前体积元的中心跳到与其相邻的某个体积元中心，如果当前体积元某几个方向没有体积元与其相邻，则这些方向不能进行行走，该限制通过位向量来实现。

5.根据权利要求4所述的芯片三维热分析方法，其特征在于，步骤S3中一般随机行走方法的具体步骤为：

分配6个位，其中两个位分别表示可以进行x正方向行走和可以进行x负方向行走，同理，y、z方向分别分配两个位，若只有x正方向不可以进行行走，则对x正方向对应的位设置0，其他方向都设置1，然后根据轮盘选择策略对位向量进行解析，从而得到一般随机行走的下一个体积元。

6.根据权利要求1所述的芯片三维热分析方法，其特征在于，该方法在多核CPU系统环境下，基于线程池实现混合随机行走算法的并行化。