Chiplet簡(jiǎn)介
Chiplet技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中推動(dòng)了革新，解決了傳統(tǒng)單片芯片設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)[1]。本文將指導(dǎo)您使用MEMS Studio軟件的Chiplet Designer 模塊進(jìn)行熱仿真案例研究[2]。
什么是Chiplet？
Chiplet是構(gòu)成更大系統(tǒng)的小型功能模塊。與制造大型單片芯片不同，Chiplet技術(shù)將功能劃分為多個(gè)小型芯片（Chiplet），這些Chiplet可以獨(dú)立生產(chǎn)，通常使用不同的工藝節(jié)點(diǎn)，然后在封裝過(guò)程中集成形成完整系統(tǒng)。
Chiplet的優(yōu)勢(shì)
降低成本：通過(guò)允許不同組件使用最佳工藝節(jié)點(diǎn)制造，Chiplet可以顯著降低制造和設(shè)計(jì)成本。
提高集成度：Chiplet實(shí)現(xiàn)了更高水平的系統(tǒng)集成，允許更復(fù)雜和強(qiáng)大的設(shè)計(jì)。
改善熱效率：Chiplet的模塊化特性可以帶來(lái)更好的熱分布和管理。
熱管理挑戰(zhàn)
隨著Chiplet集成密度的增加，熱管理變得越來(lái)越重要。多個(gè)Chiplet產(chǎn)生的熱量可能導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱，影響性能和可靠性。因此，熱仿真成為基于Chiplet系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要步驟。
2.5D Chiplet集成
集成Chiplet的一種流行方法是2.5D集成方法。在這種配置中，Chiplet并排放置在中介層上，并使用微凸點(diǎn)連接。這種設(shè)計(jì)有助于減少熱量積累并提高互連效率。
圖1：2.5D Chiplet集成*
Chiplet熱仿真案例研究
現(xiàn)在，讓我們深入研究使用MEMS Studio的Chiplet設(shè)計(jì)器模塊進(jìn)行Chiplet熱仿真的實(shí)際案例。
仿真設(shè)置
1.網(wǎng)格配置
網(wǎng)格類型：三角形
自定義網(wǎng)格：縮放因子= 55
2.幾何結(jié)構(gòu)
圖2：Chiplet仿真的幾何結(jié)構(gòu)
3.制造過(guò)程配置
仿真涉及三個(gè)沉積層，每層具有特定配置：
圖3：制造過(guò)程配置
4.物理場(chǎng)設(shè)置
物理場(chǎng)設(shè)置定義了每個(gè)沉積層的熱特性和條件：
圖4：物理場(chǎng)設(shè)置
仿真結(jié)果
配置仿真參數(shù)后，我們可以使用MEMS Studio的Chiplet設(shè)計(jì)器模塊運(yùn)行熱仿真。結(jié)果為Chiplet結(jié)構(gòu)的熱分布提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。
圖5：熱分布結(jié)果
熱分布可視化使我們能夠識(shí)別Chiplet設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn)和需要關(guān)注的區(qū)域。這些信息對(duì)優(yōu)化熱管理策略和確保基于Chiplet系統(tǒng)的可靠性非常重要。
分析和解釋
溫度梯度：觀察Chiplet結(jié)構(gòu)的溫度梯度。溫度較高的區(qū)域可能需要額外的冷卻解決方案或設(shè)計(jì)修改。
熱點(diǎn)識(shí)別：識(shí)別溫度顯著高于周圍區(qū)域的熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)可能導(dǎo)致性能問(wèn)題或縮短組件壽命。
熱界面：分析不同層之間的熱界面。確保熱量從主動(dòng)層有效散發(fā)到散熱器或冷卻解決方案。
邊緣效應(yīng)：注意Chiplet邊緣的熱行為。邊緣效應(yīng)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致意外的熱模式，可能需要在設(shè)計(jì)中特別考慮。
熱均勻性：評(píng)估Chiplet結(jié)構(gòu)的整體熱均勻性。更均勻的溫度分布通常表示更好的熱管理。
優(yōu)化策略
根據(jù)仿真結(jié)果，考慮以下優(yōu)化策略：
材料選擇：在需要的地方嘗試不同材料，以改善熱導(dǎo)率。
幾何修改：調(diào)整某些組件的幾何形狀，以增強(qiáng)散熱或減少熱點(diǎn)。
冷卻解決方案：在熱密度高的區(qū)域?qū)嵤╊~外的冷卻解決方案，如微流體通道或集成散熱器。
功率分配：優(yōu)化Chiplet的功率分配，以實(shí)現(xiàn)更均衡的熱分布。
熱通道：在關(guān)鍵區(qū)域引入熱通道，以改善層間垂直熱傳遞。
結(jié)論
熱仿真是基于Chiplet系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。通過(guò)利用MEMS Studio的Chiplet Designer模塊等工具，工程師可以在進(jìn)行物理原型制作之前，深入了解設(shè)計(jì)的熱行為。
本文展示的案例研究演示了為Chiplet結(jié)構(gòu)設(shè)置和分析熱仿真的過(guò)程。通過(guò)仔細(xì)配置網(wǎng)格、幾何結(jié)構(gòu)、制造過(guò)程和物理場(chǎng)設(shè)置，我們可以獲得準(zhǔn)確且有意義的結(jié)果，指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程。
隨著Chiplet技術(shù)的不斷發(fā)展，熱管理仍將是主要挑戰(zhàn)。先進(jìn)的仿真工具和方法在確保下一代半導(dǎo)體系統(tǒng)的性能、可靠性和效率方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
熱仿真是一個(gè)迭代過(guò)程。使用結(jié)果來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)變更，然后重新運(yùn)行仿真以驗(yàn)證改進(jìn)。通過(guò)每次迭代，您將更接近滿足性能和熱管理要求的優(yōu)化Chiplet設(shè)計(jì)。本篇文章搭配的生動(dòng)教學(xué)視頻，請(qǐng)參考B站[2]。
參考來(lái)源
[1] Feng, J.; Zhou, M.; Chen, C.; Wang, Q.; Cao, L. Thermal Interaction and Cooling of Electronic Device with Chiplet 2.5D Integration. Appl. Sci. 2024, 14, 8114.
[2] 逍遙科技, "MEMS Studio——Chiplet案例," Available: https://www.bilibili.com/video/BV1kyyLYPE1e/
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