基于高层LISA功耗模型的RISC处理器热量分析与仿真方法

发布时间：2020-02-17 04:46

【摘要】：为了优化集成电路芯片的布局封装,提高芯片性能及可靠性,对处理器级别的实时片上温度调节技术进行评估,给出了一种实时计算芯片单元模块功耗和温度的仿真方法.采用高层LISA功耗模型,得到RISC处理器上通用应用程序的实时功耗;利用芯片后端设计软件Cadence Encounter对芯片进行布局规划设计,获得RISC处理器的floorplan信息;将实时功耗、floorplan信息及芯片规格参数作为输入信息,利用HotSpot热量分析工具,实现对RISC处理器快速低代价的热量分析仿真.实验结果表明,利用该方法可以准确分析芯片的热分布,获得反映芯片在实际运行过程中热量分布的数据,为优化集成电路芯片的布局封装、分析芯片性能及可靠性等提供最直接的温度信息.
【图文】：

流程图,封装结构,芯片

为一个电路系统．其中热传导体可以等价为一个热电阻，流过该介质的热量类似于通过该段热电阻的电流，该介质两端的温度差近似于该段热电阻两端的电压；热量传导系统同时具有吸收热量的能力，称之为热电容，类似于电路中的电容，热量吸收过程类似于电路电容充电储存电荷的过程．ＨｏｔＳｐｏｔ热量计算模型即建立在这个等价关系之上，它是一种参数化的，可配置的数学模型，能够得出详细的静态和动态温度信息．图１系统总体设计流程图现代大规模集成电路的封装均是层次化的，传统单芯片的典型封装结构如图２所示．集成电路芯片（ＩＣｄｉｅ）放置在由诸如铜、铝等高传热性的材料制作而成的散热器板（ｈｅａｔｓｐｒｅａｄｅｒ）上．散热器板放置在由铜或铝制作而成的热沉（ｈｅａｔｓｉｎｋ）上，产生的热量由风扇带走．ＨｏｔＳｐｏｔ即是基于单芯片封装的典型结构［９］，集成电路芯片产生的热量主要从硅体传输到散热片和热沉，最终进入周边环境．图２传统倒芯片Ｃ４封装结构图芯片及其热封装的物理结构的等效电路如图３所示．等效的ＲＣ电路包括三个垂直的传导层，从硅体芯片到散热片再到热沉．同时还存在着从热沉到周围空气的垂直对流层．为方便计算，ＨｏｔＳｐｏｔ将整个封装芯片分成不同的功能块．集成电路芯片层根据感兴趣的微体系结构块及其ｆｌｏｏｒｐｌａｎ信息分成不同的结构块．为简单起见，图中的集成电路芯片层只分为３个结构块，而在实际情况中，会被分为１０到２０个甚至更多的结构块．散热器片被分为５个模块：一块正对于硅体芯片下方的面积（Ｒｓｐ），未被芯片覆盖的面积被分为四个梯形

电路参数,热电阻

第８期岳丹，等：基于高层ＬＩＳＡ功耗模型的ＲＩＳＣ处理器热量分析与仿真方法被分为５个模块：正对于散热器片下方的面积（Ｒｈｓ）和周边的四个梯形区域．最终，从封装到空气层的热量对流传输通过一个单一热电阻（Ｒｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）得到体现．图３等效ＲＣ模型架构图３．２ＲＣ电路参数推算在每个层次中的结构块或者网格，都具有垂直方向上的热电阻，，连接着相邻的层次；也具有侧向的电阻，连接着同一层次上的相邻单元．垂直方向上的热模型描述的是层间的热量传递关系，热量从硅体芯片通过散热器片、热沉最终进入空气层．横向模型主要描述同一层间相邻模块的热量传递．垂直方向上的热电阻可由Ｒｖｅｒｔｉｃａｌ＝ｔ（ｋ·Ａ）（１）计算获得．ｔ是所在层次的厚度，ｋ是所在层次材料的热传导率，Ａ是单元的截面积．每个单元等效的接地热电容为Ｃｔｈ＝α·Ｃｐ·Ａ·ρ·ｔ（２）式中，ｔ和Ａ同电阻公式中的含义一样，Ｃｐ和ρ分别对应于特定材料的热容和密度，影响因子α取０．５．从热沉到空气中的热电阻可以用模型Ｒｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ＝１（ｈ·Ａ）（３）计算得到．式中，Ａ是表面积，ｈ是具有边界条件依赖特性的热传输系数，与材料有关．上述所有热电阻、热电容计算公式的详细推导和论证可以参考文献［１０－１１］．ＨｏｔＳｐｏｔ工具中的ｈｏｔｓｐｏｔ．ｃｏｎｆｉｇ文件定义了各种热模型参数．如芯片的规格参数，散热器及热沉的规格参数，界面材料规格参数，芯片的ｆｌｏｏｒｐｌａｎ参数以及ＨｏｔＳｐｏｔ工具被调

【共引文献】