【儀表網 研發快訊】后摩爾時代，依靠縮小尺寸提升器件集成度的硅基CMOS技術面臨物理原理和工藝技術的挑戰。具有高性能、低功耗和低成本優勢的Chiplet技術成為延續摩爾定律的重要選擇之一。該技術利用先進封裝工藝，將多個異構芯片集成為特定功能的系統芯片，從而滿足人工智能等領域的應用需求。
然而，由于Chiplet異構集成密度大幅增加，熱耗散問題對異構系統的可靠性造成挑戰。如何針對Chiplet異構集成系統的復雜性，提出新的熱分析方法，實現高精準封裝熱模擬和散熱結構設計，開發與Chiplet應用場景適配的熱仿真模型和工具已成為Chiplet熱分析領域的重要方向。
基于以上問題，中國科學院微電子研究所EDA中心多物理場仿真課題組通過引入傳導、對流和輻射效應，提出了芯粒異構集成復雜互連結構(TSV、bump和RDL)通用等效熱導解析方法和改進型交替方向隱式浮點優化算法。通過快速精確求解超大規模稀疏矩陣離散方程，研究首次構建了芯粒異構集成三維網格型瞬態熱流仿真模型和計算流程。
在此基礎上，課題組進一步將仿真模型和計算流程拓展應用于更大規模和尺度的異構集成溫度仿真。以上模型和求解器能夠實現Chiplet異構集成系統瞬態熱流的高效精確仿真，為芯粒異構集成系統溫度熱點檢測工具和溫感布局優化算法的開發奠定了核心技術基礎。通過在芯粒熱流仿真模型上改進數值離散格式和虛擬點構造算法，使浮點運算效率提升了2.74倍。與有限元方法相比，在滿足計算精度的前提下，Chiplet熱仿真器的計算效率提升了27倍。
相關研究成果發表《應用熱力工程》(Applied Thermal Engineering，DOI：10.1016/j.applthermaleng.2023.120609)和《微電子學可靠性》(Microelectronics Reliability，DOI：10.1016/j.microrel.2022.114790，DOI：10.1016/j.microrel.2023.115006)上。研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項(A類)的支持。
圖1. 四芯粒異構集成系統溫度分布：(a)中介層上表面溫度分布，(b)Chiplet中心溫度分布，(c)中介層上表面溫度與有限元仿真結果對比，(d)Chiplet熱仿真模型誤差。
圖2. 一個典型Chiplet異構集成系統中介層上表面瞬態溫度分布：(a)t = 0.1 s，(b)t = 0.2 s，(c)t = 0.5 s，(d)t = 1.0 s，(e)t = 3.0 s，(f)t = 5.0 s，(a)-(f)為狀態1；(g)t = 5.1 s，(h)t = 5.2 s，(i)t = 5.5 s，(j)t = 6.0 s，(k)t = 8.0 s，(l)t = 10.0 s，(g)-(l)為狀態2。
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