芯片的热管理如何解决？

芝能智芯出品

在信息时代，数据处理速度的不断提升迫使我们面对一个巨大的挑战： 晶体管的密度已经达到了令人难以置信的水平，这些微小的数字开关产生的热量比以往任何时候都要多。

尽管表面上看似容易管理，但实际上，这引发了一系列全行业都需共同解决的新问题 ——从EDA公司、工艺设备制造商、晶圆厂、封装厂、到现场级监控和分析提供商、材料供应商、研究小组等。

近年来，持续关注将更多晶体管封装到固定区域，以及与泄漏功率的斗争成为了行业的焦点。

然而，每一个新的节点都带来了一系列需要解决的新问题。例如，环栅FET和复合FET等新的晶体管结构变革，虽然为性能提升带来了希望，但也给设计、计量、检查和测试带来了更大的挑战和成本。

● 热量与功耗的挑战： 电源问题，尤其是热量问题，正是制约了当今芯片和系统设计的关键因素。持续增加的晶体管密度导致了更高的功率密度，这限制了时钟频率的提升。

因此，许多重要的改进都集中在晶体管本身的外围技术上，如硬件-软件协同设计、更快的物理层和互连、新材料的使用以及更稀疏的算法等。

● 功耗密度与时钟频率的制约： 随着晶体管密度的增加，功耗密度也相应增加，从而限制了时钟频率的提高。

因此，必须寻找外围技术的改进，例如硬件-软件协同设计、更快的PHY和互连、新材料用于绝缘和电子迁移率、更稀疏的算法等。

● 动态热梯度与热应力： 在高密度芯片和封装中，动态热梯度成为一个令人担忧的问题。瞬态热梯度的不可预测性和变化性，可能导致热应力，进而影响芯片的可靠性和性能。

● 热量带来的问题： 热量不仅影响系统的性能，还可能导致一系列难以预测的问题。从电介质的击穿、电迁移、到内存运行速度的降低，以及噪声对信号完整性的影响，这些问题无一不在缩短芯片的寿命。

电力问题没有单一解决方案，但有很多局部解决方案。

● 限制过度设计， 即根据目标用例确定必要功能，避免不必要的功能增加。

● 在设计中考虑实际工作负载， 以确保电力覆盖范围足够。

● 背面供电是一种选择， 特别是在最先进的节点上，可以减少功耗。

● 利用芯片和封装内部的传感器 来监测电源行为的变化也是一种方法。