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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有的三维集成电路热设计方法的不足,本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是，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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮，皮宇丹，王宁宇，陈兢，金玉丰，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11