CN105760624B - 一种支持大规模三维集成电路的热仿真和热设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持大规模三维集成电路的热仿真和热设计方法。首先对输入的三维集成电路区块参数文件进行解析，得到三维集成电路区块位置、区块形状和尺寸、区块材料对应的热导率、区块包含的功率大小；然后调用有限元仿真工具建立三维集成电路热模型，并进行网格划分和求解器设置；然后进行仿真计算，计算结束后导出三维集成电路热分析结果。进而，利用热仿真结果对三维集成电路进行热评估，计算平面内温度方差，平面内最高温度、最低温度、平均温度图，以及平面间温度梯度；然后利用分析得出的结论指导三维电路布图、布局和布线。本发明能够在现有计算机硬件计算能力条件下，进行高效的三维集成电路的热仿真和热设计。

Description

一种支持大规模三维集成电路的热仿真和热设计方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术和微电子领域，具体为一种大规模三维集成电路的热仿真和热设计方法，能够对大规模的三维集成电路，利用有限元仿真工具和数值计算工具进行自动化的热仿真和评估。

背景技术

目前，随着电子信息技术的发展和集成电路设计、制造水平的进步，电路功能日益复杂，规模日益庞大，微处理器和IC实现了稳步的前进，展现出不断提升的性能和可靠性。这一发展轨迹由半导体制造工艺的成熟所驱动，并受晶体管持续的等比例缩小这一发展趋势支持。但是晶体管持续的等比例缩小导致互连(电路有源器件之间的连接)的延迟、噪声和功率方面的设计目标更加苛刻，一些电路层面设计方法如多层面互联架构、变线宽、屏蔽等，和架构层次的互联方案都难以同时在可靠性、设计复杂度等方面令人满意。三维集成电路成为一种在IC各器件或者功能模块间实现通信的解决方案。利用第三个维度来实现立体集成，可以让集成电路上的最长的互连长度大大缩减，可以在不减少带宽的同时极大地改善现代集成电路的互连性能。

在三维集成电路设计中一个需要考虑的基本问题是热效应，电路的功耗有望随着互连长度的显著缩短而下降，但与平面二维集成电路相比，单位面积上的器件数量更多，功率密度会大大增大。随着封装密度的显著提升、功率密度的增大，与封装散热器不相邻的平面的温度也将上升，三维集成电路各平面间剧变的热梯度将会造成性能的下降或者损耗的加速。此外，三维系统内的峰值温度可能会超过目前封装技术所能保证的热极限，因此保证低工作维度是三维集成电路的一个首要设计目标。制定一个有效的热管理战略需要两个关键元素：一是热模型，用来描述电路的热行为；二是设计技术，用于减小三维叠层平面间热梯度，并将工作温度维持在可接受范围内。对热学模型的主要要求包括高精度和低运算量，对热设计技术的要求是在可接受的计算时间内对电路的热分布情况进行准确评估。

一个三维系统是由热性质有显著差异的不同材料组成，包括半导体、金属、电介质和可能用于平面间键合的聚合物材料，为了描述系统空间内的热传导过程，并确定稳态条件下系统内的温度T，应求解式中k为热导率，Q为产生的热量。在集成电路中，热量由相当于热源的晶体管及器件和互连的子热效应产生，这些效应会显著提高电路温度。在三维集成电路设计流程的不同阶段，如综合、布图规划、布局、布线等，均会对电路温度和三维电路平面间热梯度产生影响，对于每个设计(候选解)，需要在整个系统空间内求解上述方程，而这所要求的建模时间和计算时间难以令人接受。为了化解这一问题，人们采用分析传热现象的标准方法如有限差分、有限元和边界元方法，来评估三维集成电路的温度，尽管如此，三维集成电路的热设计还停留在依靠简化模型进行数值计算，即依靠将三维集成电路等效为一定结构的热阻网络，然后对热源和热阻网络进行计算来评估电路温升和温度分布。这种简化计算相对于标准计算方法如有限元方法由于抽象化程度高、等效过程多、人为引入的经验化参数多，其误差难以估计，距离真实芯片有很大差距。例如电路温度分布的仿真精度受限于热阻网络的划分精度，而不能按需要任意提取电路温度分布情况。

三维集成电路的热仿真方法如有限元方法因为电路维度的增加计算量很大、计算时间很长，而大规模三维集成电路更加增加了计算量，整个电路晶体管和互连、功耗信息的规模和复杂度超过了目前的热仿真软件和计算机硬件(如内存资源)的计算能力。所以，大规模三维集成电路热仿真需要对热源功率、热导率、热点位置信息等信息进行简化、等效，输入热仿真软件进行计算。对于简化后的电路信息，虽然能够满足计算机仿真的要求、计算复杂度和计算时间在可接受范围内，但依然存在数据规模大、手动建模困难的问题。有限元仿真软件作为通用软件往往提供图形操作界面和软件编程接口，但是大数据量的电路信息难以直接自动化输入仿真软件进行建模和参数设定，而手动输入简化后电路信息要求对每个简化单元进行建模和参数设定，存在工作量巨大、无法重复进行仿真的问题，且对已有模型进行修改和更新困难。对于利用通用仿真软件辅助进行热设计并在计算结束后对于仿真结果分析反馈方面，同样存在手动访问工程速度慢、耗时耗资源的问题，而对于利用热阻网络计算进行热设计的方法甚至难以得到可视化的三维集成电路层间热梯度、电路温度分布等数据。

发明内容

为了克服现有的三维集成电路热设计方法的不足,本发明提供一种三维集成电路的热仿真和热设计方法，该方法采用有限元仿真方法，支持对大规模三维集成电路进行自动化热分析。对于给定的三维集成电路热源功率、分布和电路材料参数，本方法可以利用有限元仿真工具和脚本处理工具，在现有计算机硬件计算能力条件下，进行高效的自动化建模、计算和可视化分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种支持大规模三维集成电路的热仿真方法，其步骤包括：

1)对输入的三维集成电路区块参数文件进行解析，解析后的数据结构包括：三维集成电路区块位置、区块形状和尺寸、区块材料对应的热导率、区块包含的功率大小；

2)使用脚本解析工具，根据解析后的三维集成电路数据结构，调用有限元仿真工具建立三维集成电路热模型；

3)对建立好的三维集成电路热模型进行网格划分优化和求解器设置；

4)利用划分的网格和设置的求解器，调用有限元仿真工具进行仿真计算；

5)计算结束后，调用有限元仿真工具导出三维集成电路热分析结果，包括：各电路区块温升和温度分布，各平面内温度分布，各平面内最高温度、最低温度和平均温度，以及各平面间温差。

一种支持大规模三维集成电路的热设计方法，其步骤包括：

1)采用上述方法，通过有限元仿真工具对三维集成电路进行热仿真，并导出热仿真结果；

2)将有限元仿真工具导出的结果读入内存，对热仿真结果进行分析，对三维集成电路进行热评估，包括：根据平面内温度分布计算平面内温度方差，并导出；根据平面内温度画出平面内最高温度、最低温度、平均温度图，并导出；根据平面间温度分布画出平面间温度梯度，并导出；

3)对步骤2)导出的结果进行分析，将得出的结论用于指导三维电路布图、布局和布线。

本发明的有益效果是，不需要对每个电路单独编程和执行，上述过程以脚本形式或函数形式封装，依次对每一个三维集成电路对象执行该脚本或调用此函数，并在调用脚本或函数时指明输入输入格式、程序工作目录等参数，即可自动化、规模化进行三维集成电路热设计过程。本三维集成电路热设计方法对电路规模没有限制，能够实现对大规模三维集成电路的热设计过程。

本发明支持多种有限元仿真软件和脚本解析软件，并能够和数值计算软件进行交互，完成热设计过程中复杂的热评估，或对多个三维集成电路热设计结果进行自动化比较、可视化展示等。

附图说明

图1是本发明实施的支持大规模三维集成电路的热设计流程图。

图2是热设计过程中自动化建模的模型示意图，示例最终建模结果为5x5x4立方体形状电路区块划分的待仿真结构，即输入的简化电路区块为5x5的矩形区块划分，三维集成电路共分为4层。图2中灰度表示区块所在的不同电路平面。

图3是热设计过程中，在有限元仿真结束后，自动化处理和可视化温度分布示例。示例输出结果为三维集成电路结构包含最高和最低温度的温升分布图，单位为摄氏度。其中灰度深浅表示电路温度相对室温升高的大小，单位为摄氏度。图3中的温升计算方式为：将仿真得到的电路绝对温度值减去室温得到温升大小，单位为摄氏度。

图4是热设计过程中，在有限元仿真结束后，自动化处理和可视化单层电路平面内温度均匀性可视化分析示例。示例输出结果为三维集成电路单层电路平面内，每个简化划分区块内温度方差的分布，图中每个区块顶点高度代表区块内温度方差大小。

具体实施方式

下文通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。

图1是本发明实施的支持大规模三维集成电路的热设计流程图。对于特定三维集成电路，输入文件为包含简化后电路信息的文件，这些信息包括：简化后三维集成电路的区块划分，区块的形状、位置，区块所在层数，材料热导率，区块内部层次划分，简化后区块功率大小等。本三维集成电路热设计流程根据该简化后的电路信息文件，进行有限元仿真，并对仿真结果分析，得到电路温升、温度分布、平面间温度梯度、平面内温度方差等可视化图形，供进一步对三维集成电路热优化提供参考。对图1所示各步骤具体说明如下：

1.将输入的简化后的三维集成电路区块参数文件解析。

对于特定三维集成电路，输入文件为包含简化后电路信息的文件，这些信息包括：简化后三维集成电路的区块划分，区块的形状、位置，区块所在层数，材料热导率，区块内部层次划分，简化后区块功率大小等。程序调用ReadData函数对输入文件进行解析，参数包括输入文件所在目录、输入文件名和输入文件格式版本等。函数将自动解析输入的简化的三维集成电路信息，形成内存中完整的简化电路信息。解析后的数据结构包括：三维集成电路区块位置、区块形状和尺寸、区块材料对应的热导率、区块包含的功率位置和功率大小等。

a)其中'blocknum'表示区块个数；

b)'outsize'表示三维集成电路长度、宽度和高度；

c)'blocknx'表示每一简化后电路区块x方向索引,'blockny'表示每一简化后电路区块y方向索引,'locknz'表示每一简化后电路区块z方向索引；

d)'blockx'表示每一简化后电路区块x坐标,'blocky'表示每一简化后电路区块y坐标,'blockz'表示每一简化后电路区块z坐标；

e)本示例中简化后的三维集成电路区块为立方体，所以'blockSizex','blockSizey','blockSizez'分别表示每一简化后电路区块的x方向长度、y方向长度、z方向长度来确定其大小和形状；

f)对于每一简化后的三维集成电路区块，按照不同材料默认将区块划分成不同层，不同层含有不同热导率、密度等参数，材料在建模过程中指定，热导率等参数会按照x，y，z方向单独表示，'kxSi','kySi','kzSi'分别表示三个方向的硅层热导率,'kxUf','kyUf','kzUf'分标表示三个方向的电路平面间介质层热导率,'kxCu','kyCu','kzCu'则分别表示三个方向的导线层热导率，'kxSiO2','kySiO2','kzSiO2'分别表示三个方向上二氧化硅层热导率；

g)'blockPower'表示该电路区块内包含的功率。

该模块会将读入内存的数据结构输出为二进制文件并存放于mat目录下，文件命名与输入文件一致，便于后续对三维集成电路进行分析，同时避免对同一简化后电路进行重复处理增加不必要的运行时间。

2.使用脚本解析工具，根据解析后的三维集成电路数据结构，调用有限元仿真工具建立简化的三维集成电路热模型。建模具体过程如下：

1)向ComputeT模块输入二进制电路信息文件位置，由该模块将二进制电路信息文件读入内存；

2)创建电路几何模型对象，创建有限元仿真工程对象；根据电路区块信息遍历简化后的电路区块，针对每个区块进行以下操作：

a)根据简化的三维集成电路信息，按照区块顺序依次调用有限元仿真工具的建模模块，将区块位于坐标系的位置、区块形状、区块形状决定的尺寸信息写入有限元仿真工具，调用建模命令按照写入信息进行三维建模；

b)根据实验或理论值确定电路包含材料的参数，调用有限元仿真工具输入材料对象，并设置材料密度、泊松比、热导率等物理参数；

c)在建模完成的三维集成电路结构中创建选择对象，依次按照位置选择简化电路区块中不同材料区域，对每个选择返回的对象调用有限元仿真工具接口设置对应材料；

d)调用有限元仿真工具加入热学物理场或热学物理模型，在热学物理模型对象下加入热源、热沉等边界条件，和热传导模型等物理模型。根据简化集成电路信息中的区块功率设置热源位置和热源功率，根据电路信息中的各层材料热导率信息设置热传导物理模型中的热导率等参数。

3.调用有限元仿真工具对加入了物理模型的三维集成电路模型进行网格划分，网格划分目标是减少有限元计算的运算复杂度和时间，同时保证计算结果的准确性在可接受范围内。对于每个集成电路平面，都包含不同厚度的不同材料，根据材料厚度和功能，确定该层结构所需划分网格数；调用有限元仿真工具网格划分模块进行网格划分操作。

图2是热设计过程中自动化建模的模型示意图，示例最终建模结果为5x5x4立方体形状电路区块划分的待仿真结构，即输入的简化电路区块为5x5的矩形区块划分，三维集成电路共分为4层。

4.对建立好的热模型进行求解器设置。调用有限元仿真工具添加求解器，并设置求解器为稳态求解器，且采用直接求解方法。

5.利用划分的网格和设置的求解器，调用有限元仿真工具进行仿真计算，仿真工具将根据步骤4设置的求解器对步骤3划分的网格进行有限元计算，最终得到稳态解，同时记录仿真所耗时间。

6.计算结束后，ProcessT模块调用有限元仿真工具导出三维集成电路热分析结果，包括：各电路区块温升和温度分布，各平面内温度分布，各平面内最高温度、最低温度、平均温度，各电路平面间温差。ProcessT模块通过以电路区块为单位遍历有限元仿真结果构建三维集成电路热评估信息，并调用数值计算/脚本解析软件对提取的温度场等信息进行可视化处理，利用软件绘图函数将三维集成电路整体温度、各电路平面内温度分布绘制出来，并保存在pic目录下。图3为该示例电路整体温升分布可视化展示，温升以室温为标准，单位为摄氏度，其中包括最高温度和最低温度位置。图4是热设计过程中，在有限元仿真结束后，自动化处理和可视化单层电路平面内温度均匀性可视化分析示例。该示例输出结果为三维集成电路单层电路平面内，每个简化划分区块内温度方差的分布，图中每个区块顶点高度代表区块内温度方差大小。

7.调用有限元仿真工具保存工程文件为二进制文件，存放于mph目录下。

8.对仿真结果进行进一步处理，用于进一步集成电路热设计。

a)将存放于mat目录下的仿真导出结果读入内存；

b)调用Variance模块，对三维集成电路每一电路平面，根据平面内温度分布计算平面内温度方差；

c)调用绘图函数将温度方差绘制成图像，并导出图像，存放于pic目录。

9.对导出的结果进行分析，得出结论，指导三维电路布图、布局和布线。根据温升情况判断三维集成电路能否在工作时处于安全工作环境，是否会由于温度过高而对电路功能或结构产生影响。根据电路平面间温差判断三维集成电路平面间热传导是否顺畅，平面间导热结构如三维硅通孔数量能否满足电路散热需要，并得到哪些平面间热传导出现障碍，从而进行针对性调整。根据各个电路平面内温度方差判断该平面内电路元器件或功能模块布局是否存在热源分布过度集中导致产热过于集中、散热困难的问题，从而考虑对该平面特定区域元器件或功能模块布局进行针对性调整。

本发明方案中，步骤之间中间结果的传递方式不限于存储和读取文本文件或二进制数据文件，还包括其他形式的输出传递；本发明方案的建模过程中的添加并设置物理场、网格划分和求解器添加，其设置无确定的先后次序，三个过程可以同时进行，也可以以任何次序完成，以最终均可以进行有限元仿真为准；本发明方案中最终结果分布图可以使用数值计算工具绘图函数绘制，也可以调用有限元仿真工具的结果导出模或其他数据处理、导出软件或脚本进行数据绘制和图片导出，以得到最终结果图像为准。

以上三维集成电路热设计方法，能否得到详细的温度场和热分布情况，其详细程度取决于有限元仿真网格的划分，并远高于热点层面的详细程度，能够为集成电路热设计提供足够详细的数据支持。该方法同时具有很好扩展性，可根据实际需要对计算得出的数据进行处理，处理结果可以通过两种方法进行导出：调用有限元仿真软件的绘图接口，和调用数值计算软件的绘图函数。数据处理灵活方面，可视化程度高。

以上三维集成电路热设计方法，能够支持任意区块划分的集成电路简化结果作为输入。区块划分越详细，有限元仿真结果越接近真实电路，同时所需计算资源和时间也越多。该热设计方法能够最大限度地利用现有计算机软件和硬件资源，通过对输入简化结果中的区块划分提出要求，并且对有限元仿真中网格划分进行配置，在仿真时间、硬件需求和仿真准确性、电路细节数量两者之间做出平衡。通过该热设计方法，可以最大限度地利用计算资源得到最优化的三维集成电路热学评价，可以对大规模的三维集成电路进行热设计评估和指导。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种支持大规模三维集成电路的热仿真方法，其步骤包括：

1)对输入的三维集成电路区块参数文件进行解析，解析后的数据结构包括：三维集成电路区块位置、区块形状和尺寸、区块材料对应的热导率、区块包含的功率大小；

2)使用脚本解析工具，根据解析后的三维集成电路数据结构，调用有限元仿真工具建立三维集成电路热模型；

3)对建立好的三维集成电路热模型进行网格划分优化和求解器设置；

4)利用划分的网格和设置的求解器，调用有限元仿真工具进行仿真计算；

5)计算结束后，调用有限元仿真工具导出三维集成电路热分析结果，包括：各电路区块温升和温度分布，各平面内温度分布，各平面内最高温度、最低温度和平均温度，以及各平面间温差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述三维集成电路区块参数文件为包含简化后的电路信息的文件，其中包括：简化后三维集成电路的区块划分，区块的形状、位置，区块所在层数，材料热导率，区块内部层次划分，简化后区块功率大小。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1)将电路信息的数据结构输出为二进制文件。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)建立三维集成电路热模型的过程包括：

1)向有限元仿真工具的ComputeT模块输入二进制电路信息文件位置，并由该模块将二进制电路信息文件读入内存；

2)创建电路几何模型对象，并创建有限元仿真工程对象；根据电路区块信息遍历简化后的电路区块，针对每个区块进行以下操作：

a)根据简化的三维集成电路信息，按照区块顺序依次调用有限元仿真工具的建模模块，将区块位于坐标系的位置、区块形状、区块形状决定的尺寸信息写入有限元仿真工具，调用建模命令按照写入信息进行三维建模；

b)根据实验或理论值确定电路包含的材料参数，调用有限元仿真工具输入材料对象，并设置材料的物理参数，包括密度、泊松比、热导率；

c)在建模完成的三维集成电路结构中创建选择对象，依次按照位置选择简化电路区块中不同材料区域，对每个选择返回的对象调用有限元仿真工具接口设置对应材料；

d)调用有限元仿真工具加入热学物理场或热学物理模型，在热学物理模型对象下加入热源、热沉边界条件和热传导模型；根据简化集成电路信息中的区块功率设置热源位置和热源功率，根据电路信息中的各层材料热导率信息设置热传导物理模型中的热导率参数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)对于每个集成电路平面，根据不同材料的厚度和功能，确定各层结构所需划分网格数，并调用有限元仿真工具网格划分模块进行网格划分操作。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)设置的求解器为稳态求解器。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)通过以电路区块为单位遍历有限元仿真结果，构建三维集成电路热评估信息，并调用数值计算软件或脚本解析软件对提取的信息进行可视化处理，利用软件绘图函数将三维集成电路整体温度、各电路平面内温度分布绘制出来。

8.一种支持大规模三维集成电路的热设计方法，其步骤包括：

1)采用权利要求1至7中任一项所述的方法，通过有限元仿真工具对三维集成电路进行热仿真，并导出热仿真结果；

2)将有限元仿真工具导出的结果读入内存，对热仿真结果进行分析，对三维集成电路进行热评估，包括：根据平面内温度分布计算平面内温度方差，并导出；根据平面内温度画出平面内最高温度、最低温度、平均温度图，并导出；根据平面间温度分布画出平面间温度梯度，并导出；

3)对步骤2)导出的结果进行分析，将得出的结论用于指导三维电路布图、布局和布线。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述指导三维电路布图、布局和布线，包括：根据温升情况判断三维集成电路能否在工作时处于安全工作环境，是否会由于温度过高而对电路功能或结构产生影响；根据电路平面间温差判断三维集成电路平面间热传导是否顺畅，平面间导热结构如三维硅通孔数量能否满足电路散热需要，并得到哪些平面间热传导出现障碍，从而进行针对性调整；根据各个电路平面内温度方差判断该平面内电路元器件或功能模块布局是否存在热源分布过度集中导致产热过于集中、散热困难的问题，从而考虑对该平面特定区域元器件或功能模块布局进行针对性调整。