未來(lái)的芯片將比以往任何時(shí)候都更熱

5多年來(lái)，在摩爾定律似乎不可避免的推動(dòng)下，工程師們設法每?jì)赡陮⑺麄兛梢苑庋b到同一區域中的晶體管數量增加一倍。但是，當該行業(yè)追求邏輯密度時(shí)，一個(gè)不需要的副作用變得更加突出：熱量。

在當今的 CPU 和 GPU 等片上系統 （SoC） 中，溫度會(huì )影響性能、功耗和能效。隨著(zhù)時(shí)間的推移，過(guò)多的熱量會(huì )減慢關(guān)鍵信號在處理器中的傳播，并導致芯片性能的永久下降。它還會(huì )導致晶體管泄漏更多電流，從而浪費功率。反過(guò)來(lái)，增加的功耗會(huì )削弱芯片的能源效率，因為執行完全相同的任務(wù)需要越來(lái)越多的能量。

問(wèn)題的根源在于另一條定律的終結：Dennard 縮放。該定律指出，隨著(zhù)晶體管線(xiàn)性尺寸的縮小，電壓應降低，以使給定區域的總功耗保持不變。Dennard 縮放在 2000 年代中期有效地結束了，當時(shí)在不影響晶體管整體功能的情況下，任何進(jìn)一步降低電壓都是不可行的。因此，雖然邏輯電路的密度繼續增長(cháng)，但功率密度也隨之增長(cháng)，產(chǎn)生熱量作為副產(chǎn)品。

隨著(zhù)芯片變得越來(lái)越緊湊和強大，高效的散熱對于保持其性能和使用壽命至關(guān)重要。為了確保這種效率，我們需要一種工具，可以預測新的半導體技術(shù)（制造晶體管、互連和邏輯單元的工藝）如何改變熱量的產(chǎn)生和去除方式。我和 Imec 的研究同事已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了這一點(diǎn)。我們的仿真框架使用行業(yè)標準和開(kāi)源的電子設計自動(dòng)化 （EDA） 工具，并通過(guò)我們的內部工具集進(jìn)行增強，以快速探索半導體技術(shù)與使用它構建的系統之間的交互。

到目前為止，結果是不可避免的：熱挑戰隨著(zhù)每個(gè)新技術(shù)節點(diǎn)的增加而增加，我們需要新的解決方案，包括設計芯片和系統的新方法，如果它們有任何希望能夠處理熱量的話(huà)。

冷卻的極限

傳統上，SoC 是通過(guò)將空氣吹過(guò)連接到其封裝的散熱器來(lái)冷卻的。一些數據中心已經(jīng)開(kāi)始使用液體代替，因為它比氣體吸收更多的熱量。液體冷卻劑（通常是水或水基混合物）可能適用于最新一代高性能芯片，例如 Nvidia 的新型 AI GPU，據報道，該芯片的功耗高達 1,000 瓦。但是，風(fēng)扇和液體冷卻器都無(wú)法與即將推出的較小節點(diǎn)技術(shù)相媲美。

熱量從芯片中去除時(shí)，會(huì )遵循一條復雜的路徑，但其中 95% 通過(guò)散熱器排出。 IMEC 公司

以納米片晶體管和互補場(chǎng)效應晶體管 （CFET） 為例。領(lǐng)先的芯片制造商已經(jīng)轉向納米片器件，將當今鰭式場(chǎng)效應晶體管中的鰭片換成一堆水平半導體片。CFET 將這種架構發(fā)揮到了極致，垂直堆疊更多的片材并將它們分成兩個(gè)器件，從而將兩個(gè)晶體管置于與一個(gè)晶體管大致相同的封裝中。專(zhuān)家預計半導體行業(yè)將在 2030 年代引入 CFET。

在我們的工作中，我們研究了即將推出的納米片 A10 版本（指 10 ?；?1 納米的節點(diǎn)）和名為 A5 的 CFET 版本，IMEC 預計該版本將在 A10 之后出現兩代。對我們測試設計的模擬表明，A5 節點(diǎn)的功率密度比 A10 節點(diǎn)高 12% 到 15%。這種增加的密度反過(guò)來(lái)將導致在相同工作電壓下預計溫升 9 °C。

互補場(chǎng)效應晶體管將納米片晶體管相互堆疊，從而提高密度和溫度。為了在與納米片晶體管（A10 節點(diǎn)）相同的溫度下工作，CFET（A5 節點(diǎn)）必須在降低的電壓下運行。 IMEC 公司

9 度可能看起來(lái)并不多。但是，在數十萬(wàn)到數百萬(wàn)個(gè)芯片封裝在一起的數據中心中，這可能意味著(zhù)穩定運行和熱失控之間的區別 — 即可怕的反饋回路，其中溫度升高會(huì )增加漏電功率，溫度會(huì )增加漏電功率，依此類(lèi)推，直到最終安全機制必須關(guān)閉硬件以避免永久性損壞。

研究人員正在尋找基本液體和空氣冷卻的先進(jìn)替代方案，以幫助緩解這種極端高溫。例如，微流體冷卻使用蝕刻在芯片中的微小通道來(lái)使液體冷卻劑在設備內循環(huán)。其他方法包括射流撞擊，包括將氣體或液體高速?lài)娚涞叫酒砻?，以及浸入式冷卻，將整個(gè)印刷電路板浸入冷卻劑浴中。

但是，即使這些新技術(shù)開(kāi)始發(fā)揮作用，僅依靠冷卻器來(lái)釋放額外的熱量也可能是不切實(shí)際的。對于移動(dòng)系統來(lái)說(shuō)尤其如此，它們受到尺寸、重量、電池電量的限制，并且需要不烹飪用戶(hù)。與此同時(shí)，數據中心面臨著(zhù)不同的限制：由于冷卻是整個(gè)建筑的基礎設施費用，因此每次新芯片到來(lái)時(shí)都更新冷卻設置的成本太高且破壞性太強。

性能與熱量

幸運的是，冷卻技術(shù)并不是阻止薯條油炸的唯一方法。各種系統級解決方案可以通過(guò)動(dòng)態(tài)適應不斷變化的熱條件來(lái)控制熱量。

一種方法是將熱傳感器放在芯片周?chē)?。當傳感器檢測到令人擔憂(yōu)的溫度升高時(shí)，它們會(huì )發(fā)出工作電壓和頻率降低的信號，從而降低功耗，以抵消發(fā)熱。但是，雖然這樣的方案解決了散熱問(wèn)題，但它可能會(huì )顯著(zhù)影響芯片的性能。例如，芯片在炎熱的環(huán)境中可能總是工作不佳，任何曾經(jīng)將智能手機放在陽(yáng)光下的人都可以證明這一點(diǎn)。

另一種稱(chēng)為熱沖刺的方法對于多核數據中心 CPU 特別有用。它是通過(guò)運行一個(gè)核心直到它過(guò)熱，然后在第一個(gè)核心冷卻時(shí)將作轉移到第二個(gè)核心來(lái)完成的。此過(guò)程可以最大程度地提高單個(gè)線(xiàn)程的性能，但當工作必須在多個(gè)內核之間遷移以執行較長(cháng)的任務(wù)時(shí)，可能會(huì )導致延遲。熱疾跑還會(huì )降低芯片的整體吞吐量，因為芯片的某些部分在冷卻時(shí)總是會(huì )被禁用。

因此，系統級解決方案需要在熱量和性能之間取得謹慎的平衡。為了有效地應用它們，SoC 設計人員必須全面了解功率在芯片上的分配方式和熱點(diǎn)出現的位置、傳感器的放置位置、何時(shí)觸發(fā)電壓或頻率降低，以及芯片的某些部分需要多長(cháng)時(shí)間才能冷卻。然而，即使是最好的芯片設計師，很快也需要更多創(chuàng )造性的熱量管理方法。

利用芯片的背面

一個(gè)有前途的追求包括在晶圓的底面或背面添加新功能。該策略主要旨在提高功率傳輸和計算性能。但它也可能有助于解決一些熱量問(wèn)題。

新技術(shù)可以降低需要輸送到多核處理器的電壓，以便芯片在以可接受的頻率運行時(shí)保持最小電壓。背面供電網(wǎng)絡(luò )通過(guò)降低電阻來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。背面電容器可降低瞬態(tài)電壓損耗。背面集成穩壓器允許不同的內核根據需要在不同的最小電壓下工作。IMEC 公司

Imec 預見(jiàn)了幾種背面技術(shù)，這些技術(shù)可能允許芯片在較低的電壓下工作，從而減少它們產(chǎn)生的熱量。路線(xiàn)圖上的第一項技術(shù)是所謂的后端供電網(wǎng)絡(luò ) （BSPDN），它的作用正如其名：它將電力線(xiàn)從芯片的前端移動(dòng)到后端。所有先進(jìn)的 CMOS 代工廠(chǎng)都計劃在 2026 年底之前提供 BSPDN。早期的演示表明，它們通過(guò)使電源更靠近晶體管來(lái)降低電阻。電阻越小，電壓損失就越小，這意味著(zhù)芯片可以在降低的輸入電壓下運行。當電壓降低時(shí)，功率密度會(huì )下降，溫度也會(huì )下降。

通過(guò)改變散熱路徑中的材料，背面輸電技術(shù)可以使芯片上的熱點(diǎn)更加熱。 IMEC 公司

在 BSPDN 之后，制造商也可能會(huì )開(kāi)始在背面添加具有高儲能容量的電容器。在高性能 SoC 中，由印刷電路板和芯片封裝中的電感引起的大電壓擺幅可能特別成問(wèn)題。背面電容器應該有助于解決這個(gè)問(wèn)題，因為它們更靠近晶體管，使其能夠更快地吸收電壓尖峰和波動(dòng)。因此，這種安排將使芯片能夠在比單獨使用 BSPDN 更低的電壓和溫度下運行。

最后，芯片制造商將推出背面集成穩壓器 （IVR） 電路。該技術(shù)旨在通過(guò)更精細的電壓調整進(jìn)一步降低芯片的電壓要求。例如，用于智能手機的 SoC 通常具有 8 個(gè)或更多計算內核，但芯片上沒(méi)有空間讓每個(gè)內核都有自己的分立式穩壓器。相反，一個(gè)片外穩壓器通常一起管理四個(gè)內核的電壓，而不管所有四個(gè)內核是否面臨相同的計算負載。另一方面，IVR 將通過(guò)專(zhuān)用電路單獨管理每個(gè)內核，從而提高能源效率。將它們放在背面可以節省正面的寶貴空間。

目前尚不清楚背面技術(shù)將如何影響熱管理;需要演示和模擬來(lái)繪制效果圖。添加新技術(shù)通常會(huì )增加功率密度，芯片設計人員需要考慮熱后果。例如，在放置背面 IVR 時(shí)，如果 IVR 均勻分布，或者如果它們集中在特定區域（例如每個(gè)內核和內存緩存的中心），熱問(wèn)題是否會(huì )得到改善？

最近，我們表明，背面供電可能會(huì )引入新的熱問(wèn)題，即使它解決了舊的熱問(wèn)題。原因是創(chuàng )建 BSPDN 時(shí)留下的硅層越來(lái)越薄。在正面設計中，硅襯底的厚度可以達到 750 微米。由于硅導熱性好，因此這個(gè)相對笨重的層通過(guò)橫向分散晶體管的熱量來(lái)幫助控制熱點(diǎn)。然而，添加背面技術(shù)需要將襯底減薄至約 1 μm，以便從背面接觸晶體管。夾在兩層電線(xiàn)和絕緣體之間，這種細長(cháng)的硅片無(wú)法再有效地將熱量轉移到兩側。因此，來(lái)自過(guò)度活躍晶體管的熱量可以被困在局部并被迫向上流向冷卻器，從而加劇熱點(diǎn)。

我們對 80 核服務(wù)器 SoC 的仿真發(fā)現，BSPDN 可以將熱點(diǎn)溫度升高多達 14 °C。 設計和技術(shù)調整（例如增加背面金屬的密度）可以改善這種情況，但我們需要更多的緩解策略來(lái)完全避免這種情況。

為 “CMOS 2.0” 做準備

BSPDN 是 Imec 稱(chēng)之為 CMOS 2.0 的硅邏輯技術(shù)新范式的一部分。這個(gè)新興時(shí)代還將看到先進(jìn)的晶體管架構和專(zhuān)用邏輯層。這些技術(shù)的主要目的是優(yōu)化芯片性能和電源效率，但它們也可能提供熱優(yōu)勢，包括改善散熱。

在當今的 CMOS 芯片中，單個(gè)晶體管將信號驅動(dòng)到附近和遠處的元件，從而導致效率低下。但是，如果有兩個(gè)驅動(dòng)器層呢？一層將處理長(cháng)線(xiàn)并使用專(zhuān)用晶體管緩沖這些連接;另一個(gè)將僅處理 10 μm 以下的連接。因為第二層中的晶體管將針對短連接進(jìn)行優(yōu)化，所以它們可以在較低的電壓下工作，這又會(huì )降低功率密度。不過(guò)，具體多少仍不確定。

未來(lái)，芯片部件將在自己的硅片上制造，使用適合每個(gè)芯片的工藝技術(shù)。然后，它們將被 3D 堆疊以形成比僅使用一種工藝技術(shù)構建的 SoC 功能更好的 SoC。但工程師們必須仔細考慮熱量如何流經(jīng)這些新的 3D 結構。 IMEC 公司

顯而易見(jiàn)的是，解決該行業(yè)的熱量問(wèn)題將是一項跨學(xué)科的努力。任何一項技術(shù)（無(wú)論是熱界面材料、晶體管、系統控制方案、封裝還是冷卻器）都不太可能單獨解決未來(lái)芯片的熱問(wèn)題。我們將需要他們所有人。借助良好的仿真工具和分析，我們可以開(kāi)始了解每種方法的應用量以及應用時(shí)間。盡管 CMOS 2.0 技術(shù)的熱優(yōu)勢（特別是背面功能化和專(zhuān)用邏輯）看起來(lái)很有希望，但我們需要確認這些早期預測并仔細研究其影響。例如，對于背面技術(shù)，我們需要準確了解它們如何改變熱量的產(chǎn)生和消散，以及這是否會(huì )產(chǎn)生比解決的更多的新問(wèn)題。

芯片設計人員可能會(huì )傾向于采用新的半導體技術(shù)，因為以后可以在軟件中處理不可預見(jiàn)的熱問(wèn)題。這可能是真的，但只是在一定程度上。過(guò)于依賴(lài)軟件解決方案會(huì )對芯片的性能產(chǎn)生不利影響，因為這些解決方案本質(zhì)上是不精確的。例如，修復單個(gè)熱點(diǎn)可能需要降低較大區域的性能，否則該區域不會(huì )過(guò)熱。因此，SoC 和用于構建它們的半導體技術(shù)必須齊頭并進(jìn)。

好消息是，越來(lái)越多的 EDA 產(chǎn)品正在為高級熱分析添加功能，包括在芯片設計的早期階段。專(zhuān)家們還呼吁采用一種新的芯片開(kāi)發(fā)方法，稱(chēng)為系統技術(shù)協(xié)同優(yōu)化。STCO 旨在通過(guò)全面考慮系統、物理設計和工藝技術(shù)來(lái)消除它們之間僵化的抽象界限。深度專(zhuān)家需要走出自己的舒適區，與其他芯片工程領(lǐng)域的專(zhuān)家合作。我們可能還不知道如何解決該行業(yè)日益嚴峻的熱挑戰，但我們樂(lè )觀(guān)地認為，通過(guò)正確的工具和協(xié)作，可以做到這一點(diǎn)。