當(dāng)所設(shè)計的芯片需要滿足經(jīng)常不一致的規(guī)格要求時，先進(jìn)的工藝和設(shè)計技術(shù)也會帶來艱巨的挑戰(zhàn)。在納米級設(shè)計中，功耗已經(jīng)成為限制性能的主要因素。納米工藝中使用的材料和結(jié)構(gòu)極易增加泄漏功率并降低熱傳導(dǎo)。

所有這些效應(yīng)的最終結(jié)果是裸片上的功率和溫度變化會有顯著的提高，以均勻芯片溫度為前提的邊界分析方法，已經(jīng)無法保證成功的設(shè)計收斂。

裸片上的溫度變化會顯著地影響芯片功耗、速度和可靠性。特別是泄漏功率與溫度呈指數(shù)關(guān)系，如果不能正確地處理，將導(dǎo)致熱失控。而象壓降和時鐘偏移等性能因素也特別容易受空間溫度變化的影響，并導(dǎo)致性能下降。

溫度在器件性能劣化過程中也扮演著重要角色，這是由于偏置溫度不穩(wěn)定等現(xiàn)象引起的，這在模擬電路中更加明顯。最終封裝和相關(guān)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率會由于裸模上的熱點而降低。在許多情況下，片上熱傳感器需要正確放置于最高溫度的區(qū)域。

以下是一些具有熱意識的設(shè)計技巧。由于充分考慮了裸片上的溫度分布情況，因此可以提高目前設(shè)計工具和流程的精度。

建議

1.盡可能早地通過熱分析檢測和消除設(shè)計中的熱點。應(yīng)該早在底層規(guī)劃階段就了解物理版圖和功耗狀況，此時也是進(jìn)行早期熱規(guī)劃的極好時機(jī)。

2.在開發(fā)裸片的熱圖像時充分考慮封裝和金屬化效應(yīng)。忽略這些結(jié)構(gòu)、使用功率或功率密度圖去估計溫度，都會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的功率估計和其它對溫度敏感的分析結(jié)果。

3.在每次可能改變芯片功率分布的設(shè)計反復(fù)階段中，認(rèn)真檢查熱效應(yīng)。在器件的一些重要工作模式下作的熱分析通常足夠用來提供熱點和其它關(guān)注點的反饋信息。

4.在對片上變化敏感的時鐘樹和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中充分利用分散的溫度信息。時序和信號完整性分析也將受益于準(zhǔn)確的溫度和壓降信息。

5.設(shè)計諸如片上熱傳感器這樣的熱管理系統(tǒng)，并使裸片具有良好的熱圖像。如果傳感器放置位置不正確，那么它們可能捕捉不到裸片的最高溫度，也就可能導(dǎo)致過于樂觀的反饋結(jié)果。

圖：某項設(shè)計案例中水平面上的溫度變化

1.使用單電源值和封裝的單QJA值計算裸片的最高溫度。該溫度值通常過于樂觀，無法獲知裸片上的熱點效應(yīng)。

2.在沒有考慮局部溫度變化的情況下估計功率和電壓下降。作為總功率主要組成部分的泄漏功率與溫度呈指數(shù)相關(guān)，溫度的少許變化也會造成泄漏功率很大的變化。這種功率變化還會使沿著電源線的電壓壓降呈顯著變化。

3.使用以單一均勻芯片溫度為前提的邊界分析工具檢查芯片的時序性能。10℃以上的溫度差異加上前面所述的壓降變化將導(dǎo)致單元延時有顯著的改變。另外，越來越明顯的時延反轉(zhuǎn)效應(yīng)還可能使建立時間分析出現(xiàn)問題。

4.在沒有考慮金屬互連沿線的溫度變化情況就作可靠性分析。走線的平均故障時間與溫度呈指數(shù)關(guān)系，可能導(dǎo)致過于樂觀的設(shè)計，從而使產(chǎn)品在現(xiàn)場過早地出現(xiàn)故障。

5.在沒有檢查裸片上熱點的存在和數(shù)量情況下就設(shè)計芯片封裝。熱點會嚴(yán)重影響冷卻材料的效率，從而導(dǎo)致器件上出現(xiàn)過高的工作溫度。