在信息時代，數(shù)據(jù)處理速度的不斷提升迫使我們面對一個巨大的挑戰(zhàn)：晶體管的密度已經(jīng)達到了令人難以置信的水平，這些微小的數(shù)字開關產生的熱量比以往任何時候都要多。

盡管表面上看似容易管理，但實際上，這引發(fā)了一系列全行業(yè)都需共同解決的新問題——從EDA公司、工藝設備制造商、晶圓廠、封裝廠、到現(xiàn)場級監(jiān)控和分析提供商、材料供應商、研究小組等。

Part 1

新技術帶來的挑戰(zhàn)

近年來，持續(xù)關注將更多晶體管封裝到固定區(qū)域，以及與泄漏功率的斗爭成為了行業(yè)的焦點。

然而，每一個新的節(jié)點都帶來了一系列需要解決的新問題。例如，環(huán)柵FET和復合FET等新的晶體管結構變革，雖然為性能提升帶來了希望，但也給設計、計量、檢查和測試帶來了更大的挑戰(zhàn)和成本。

●熱量與功耗的挑戰(zhàn)：電源問題，尤其是熱量問題，正是制約了當今芯片和系統(tǒng)設計的關鍵因素。持續(xù)增加的晶體管密度導致了更高的功率密度，這限制了時鐘頻率的提升。

因此，許多重要的改進都集中在晶體管本身的外圍技術上，如硬件-軟件協(xié)同設計、更快的物理層和互連、新材料的使用以及更稀疏的算法等。

●功耗密度與時鐘頻率的制約：隨著晶體管密度的增加，功耗密度也相應增加，從而限制了時鐘頻率的提高。

因此，必須尋找外圍技術的改進，例如硬件-軟件協(xié)同設計、更快的PHY和互連、新材料用于絕緣和電子遷移率、更稀疏的算法等。

●動態(tài)熱梯度與熱應力：在高密度芯片和封裝中，動態(tài)熱梯度成為一個令人擔憂的問題。瞬態(tài)熱梯度的不可預測性和變化性，可能導致熱應力，進而影響芯片的可靠性和性能。

●熱量帶來的問題：熱量不僅影響系統(tǒng)的性能，還可能導致一系列難以預測的問題。從電介質的擊穿、電遷移、到內存運行速度的降低，以及噪聲對信號完整性的影響，這些問題無一不在縮短芯片的壽命。

Part 2

應對策略

電力問題沒有單一解決方案，但有很多局部解決方案。

●限制過度設計，即根據(jù)目標用例確定必要功能，避免不必要的功能增加。

●在設計中考慮實際工作負載，以確保電力覆蓋范圍足夠。

●背面供電是一種選擇，特別是在最先進的節(jié)點上，可以減少功耗。

●利用芯片和封裝內部的傳感器來監(jiān)測電源行為的變化也是一種方法。

●通過優(yōu)化TSV布局和使用散熱通孔等方法，將熱量傳導到可以散熱的地方，可以有效減輕熱量問題。

電源問題與芯片的架構、布局布線、信號完整性、熱量、可靠性、可制造性和老化密切相關。解決這些問題需要整個行業(yè)共同努力，學會處理或解決與功率相關的各種影響。

行業(yè)需要更好地理解完整的系統(tǒng)堆棧，并采取相應的措施。針對瞬態(tài)熱梯度的建模和分析可以幫助工程師們更好地預測和解決問題。對于晶體管的新結構和工藝，需要不斷創(chuàng)新并加強模擬和測試手段，以應對可能的問題。從限制過度設計到在設計上運行實際工作負載，從背面供電到利用傳感器監(jiān)測與電源相關的行為的變化，都是應對電源問題的方法。

小結

隨著技術的不斷進步，電源設計面臨的挑戰(zhàn)也在不斷增加。解決這些挑戰(zhàn)需要全行業(yè)的共同努力和持續(xù)創(chuàng)新，以確保芯片和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為信息社會的發(fā)展提供可靠的支持。

通過全面了解電源問題的本質，并采取合適的措施，我們可以為未來的芯片設計鋪平道路，使其更加高效、可靠和可持續(xù)。

審核編輯：黃飛