越來越“熱”的芯片，如何降溫？

前言

2024 年，AI 的“狂飆突進(jìn)”勢頭不減，繼 ChatGPT 之后，文生視頻大模型 Sora 的推出更是讓人們看到 AI 的無限可能。然而，隨之而來的能耗問題也不容忽視。國際能源署（IEA）《Electricity 2024——Analysis and forecast to 2026E》的報告，ChatGPT 每響應(yīng)一個請求需要消耗 2.9 瓦時，這相當(dāng)于一個 5 瓦的 LED 燈泡亮 35 分鐘?？紤]到每天 90 億次搜索，這將在一年內(nèi)額外消耗近 10 太瓦時的電力，相當(dāng)于一座小型核電站一年的發(fā)電量。而這些能源消耗的“罪魁禍?zhǔn)住敝?，就是支?AI 運(yùn)行的芯片。為了保證芯片的高效運(yùn)行，龐大的數(shù)據(jù)中心往往需要消耗大量的電力進(jìn)行冷卻。根據(jù) IEA 的報告，數(shù)據(jù)中心的電力需求主要來自計算和冷卻兩個方面，兩者各占總電力需求的 40%左右。預(yù)計到 2026 年，全球數(shù)據(jù)中心、加密貨幣和人工智能的電力消耗將在 620 至 1,050 TWh 之間變動。

來源：IEA《Electricity 2024 - Analysis and forecast to 2026》

近年來，為了滿足 5G、AI、汽車電子等新興市場不斷增長的算力需求，芯片的集成度不斷提高，相應(yīng)的功耗也隨之增加。功耗增加會產(chǎn)品熱量，當(dāng)熱度達(dá)到一定程度，芯片輕則宕機(jī)，重則損毀。一個直觀的生活案例，這就好比我們的手機(jī)，過熱會直接死機(jī)。因此芯片散熱已是當(dāng)今工程師的“必修課”。但為了滿足便攜性和美觀性需求，電子設(shè)備的尺寸又必須不斷減小，這就導(dǎo)致給散熱系統(tǒng)留下的空間愈發(fā)有限。如何高效散熱，已成為整個行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

01 電子系統(tǒng)散熱：日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

隨著芯片制程的不斷微縮，大大加劇了散熱困境。按照傳統(tǒng)散熱經(jīng)驗，芯片的散熱密度存在物理極限，每平方毫米芯片的散熱能力約為 1 瓦。目前行業(yè)內(nèi)的發(fā)展趨勢是，進(jìn)入 10納米以下，英特爾和 AMD 等芯片巨頭紛紛采用均熱片來解決發(fā)熱問題。3 納米和 2 納米甚至是埃米時代的來臨，散熱將是頭等大事。

在人工智能浪潮的推動下，下一代 AI 芯片，其功耗甚至超過 1 千瓦。面對如此高功耗，液冷技術(shù)成為必要的降溫選擇。然而，設(shè)備越熱，其冷卻成本也隨之增加。CDCC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)在資本支出（CAPEX）中占 20-25%，在運(yùn)營支出（OPEX）中的電力成本更是占了 40%。

功耗曾經(jīng)被視為軟性指標(biāo)，但現(xiàn)在已成為芯片設(shè)計中的重要考量因素。過高的熱量帶來的不良影響不容忽視：

性能下降：過高的溫度會導(dǎo)致芯片性能下降，甚至出現(xiàn)死機(jī)、藍(lán)屏等故障。

可靠性降低：高溫會加速電子元件的老化，縮短設(shè)備的使用壽命。

安全性隱患：極端情況下，過熱可能引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

能源浪費(fèi)：過多的電力消耗不僅增加了運(yùn)營成本，還加劇了能源危機(jī)。

熱量不僅會影響單個電子元件的性能，還會對整個電子系統(tǒng)的可靠性造成威脅。以現(xiàn)代汽車為例，在汽車電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢下，車內(nèi)集成了成百上千個電子元件，這些元件之間相互作用產(chǎn)生的熱量和振動，會形成復(fù)雜的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力場，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

面對日益嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)，以及對芯片性能提升的孜孜以求，如何在保證芯片性能的前提下，有效解決散熱問題，是擺在業(yè)界面前的一項緊迫任務(wù)。

從 EDA 的角度來看，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的熱分析面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，熱量在芯片內(nèi)的傳播路徑復(fù)雜多樣，需要考慮不同材料的熱導(dǎo)率、界面熱阻等因素。其次，對于 3D-IC 等先進(jìn)封裝技術(shù)，需要考慮不同層次之間的熱傳導(dǎo)和散熱路徑，這增加了分析的復(fù)雜性和計算的負(fù)擔(dān)。此外，由于熱仿真的精度要求高，需要考慮如何在保證計算效率的同時，不影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

然而，當(dāng)前市場上的熱分析工具往往是零散的且功能單一，工程師需要同時使用多個不同的軟件和方法來完成散熱設(shè)計，這增加了工程開發(fā)周期和成本，同時降低了設(shè)計的效率和一致性。傳統(tǒng)的電子散熱設(shè)計和分析工具已顯得力不從心。

因此，電子行業(yè)亟需要創(chuàng)新的方法和工具來為芯片“降溫”。這種解決方案應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

早期評估：在設(shè)計初期就對熱解決方案進(jìn)行評估，積極利用數(shù)字孿生等創(chuàng)新技術(shù)，避免后期返工。通過采用“左移”開發(fā)策略，即在設(shè)計早期引入熱分析，我們可以更早地發(fā)現(xiàn)并解決潛在的熱問題，從而提高產(chǎn)品的可靠性。

全局入手：將整個電子系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行熱分析，考慮各組件之間的相互作用。

統(tǒng)一平臺：提供一個集成的設(shè)計環(huán)境，涵蓋熱仿真、流體仿真等多種分析功能。

02 Cadence Celsius Studio：開啟散熱設(shè)計新時代

今年初，Cadence 以其一貫的創(chuàng)新精神，推出了一款真正的系統(tǒng)級熱分析工具——Cadence Celsius Studio，它結(jié)合有限元分析（FEA）與計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，為電子行業(yè)日益嚴(yán)峻的散熱問題提供了一套全面的解決方案。作為業(yè)界首個將 AI 技術(shù)與熱設(shè)計深度融合的綜合性平臺，Celsius Studio 打破了傳統(tǒng)熱分析工具的局限，將電熱協(xié)同仿真、電子元件冷卻和熱應(yīng)力分析整合到一個綜合的平臺，引領(lǐng)電子系統(tǒng)熱設(shè)計邁向一個全新的智能化時代。

Cadence Celsius Studio 實(shí)現(xiàn)了多項突破

01 真正的熱系統(tǒng)分析

在 Cadence Celsius Studio 中，熱和應(yīng)力的建模是通過有限元分析（FEA）來完成的，通過精細(xì)到粗略的網(wǎng)格設(shè)計，可以滿足廣泛的精度需求。在 Cadence Celsius EC Solver 中，工程師可以通過建模對流和/或主動冷卻（如風(fēng)扇等），來實(shí)現(xiàn)散熱分析。

02 AI 驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化

當(dāng)今的高性能電子系統(tǒng)要求設(shè)計人員考慮 SI、PI 和熱完整性以及電磁干擾和兼容性（EMI/EMC）等問題，多物理場分析變得至關(guān)重要。Celsius Studio 中所搭載的 Cadence Optimality Intelligent System Explorer，是一款 AI 驅(qū)動的多物理場優(yōu)化軟件，它突破了傳統(tǒng)人力密集型優(yōu)化流程的限制，用 AI 驅(qū)動的技術(shù)取代了傳統(tǒng)的設(shè)計-測試-優(yōu)化循環(huán)的交互流程，可對整個設(shè)計空間進(jìn)行快速高效的探索，鎖定理想設(shè)計。

人工智能技術(shù)的引入，為電子設(shè)計自動化帶來了革命性的變革。Celsius Studio 不僅能幫助工程師在設(shè)計早期階段發(fā)現(xiàn)熱問題，還可提供分析和設(shè)計洞察，預(yù)測潛在的熱問題，并提供智能化的優(yōu)化建議，盡可能減少機(jī)械工程團(tuán)隊的后期設(shè)計迭代，縮短電子系統(tǒng)的開發(fā)迭代周期。Celsius Studio 專為大規(guī)模并行執(zhí)行而設(shè)計，經(jīng)過生產(chǎn)驗證，其可在不犧牲精度的前提下，與手動、詳盡、強(qiáng)力的參數(shù)表研究相比，生產(chǎn)力平均提高 10 倍。

計算流體動力學(xué)（CFD）是多物理系統(tǒng)分析的一個方面，它使用數(shù)值模型模擬流體的行為及其熱力學(xué)特性。

03 打通電氣工程師和機(jī)械工程師的“鴻溝”

隨著 PCB 機(jī)械外殼尺寸日益減小以及 PCB 本身復(fù)雜性的增加，電氣和機(jī)械工程師之間的協(xié)作對于芯片和系統(tǒng)的熱分析和優(yōu)化愈發(fā)重要。從電路板的輪廓到最終布局和布線，雙方必須掌握相同的信息，彼此同步進(jìn)行，并消除過程中的冗余。

為了進(jìn)行這種分析，ECAD（電子計算輔助設(shè)計）+ MCAD（機(jī)械計輔助設(shè)計）的協(xié)作必不可少。MCAD 和 ECAD 之間的無縫集成曾經(jīng)是導(dǎo)致分析速度慢的主要障礙之一。在 Celsius Studio 中，Cadence內(nèi)部的專家簡化了 MCAD和 ECAD模型的導(dǎo)入過程，將之前幾天的工作量大大縮短到幾乎無感知的時間，使得電路板和機(jī)架內(nèi)的熱、應(yīng)力和冷卻分析變得更加高效和簡便。

Celsius Studio 平臺既面向電氣工程師，也可以滿足機(jī)械工程師的需求。對于電氣工程師，Celsius Thermal Solver 可進(jìn)行芯片/SoC 性能/熱分析、封裝和 PCB 的電熱協(xié)同仿真，以及在兼顧熱影響的同時進(jìn)行封裝/PCB 的元件擺放。對于熱工程師，Celsius Electronics Cooling 提供了電子元件冷卻散熱分析，可通過添加散熱器、風(fēng)扇、通風(fēng)口來緩解潛在的熱問題。

04 多平臺無縫集成，眾人拾柴火焰高

Celsius Studio 的強(qiáng)大之處在于，可以與 Cadence 的多種實(shí)現(xiàn)平臺無縫集成，包括 Allegro X Design Platform（用于電路板設(shè)計）、AWR Design Environment（用于微波 IC）、Virtuoso System Design Platform（用于定制/模擬電路）和 Innovus Implementation System（用于數(shù)字電路），芯片散熱是一個復(fù)雜的工程性問題。Cadence 正在集結(jié)過往幾十年的經(jīng)驗，將更多的工具整合在一起，助力熱分析更加便捷。

這些多工具的見解可指導(dǎo)電源整體熱和應(yīng)力分析以及熱量減少策略、布局優(yōu)化以及熱通孔和溫度傳感器布局，讓電氣和機(jī)械/熱工程師可以在同一個環(huán)境中對設(shè)計裝配流程執(zhí)行多階段分析，解決單個封裝上多晶粒堆疊的 3D-IC 翹曲問題，無需對幾何體進(jìn)行簡化或轉(zhuǎn)換。

Celsius Studio 正在成為電子行業(yè)解決熱設(shè)計難題的首選工具，幫助企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力，加速產(chǎn)品創(chuàng)新。

通過采用 Celsius Studio，三星半導(dǎo)體在設(shè)計早期階段即獲得了準(zhǔn)確的熱分析結(jié)果，顯著提升了 3D-IC 和 2.5D 封裝的設(shè)計效率，將產(chǎn)品開發(fā)周期縮短了 30%。

BAE Systems 利用 Celsius Studio 在 MMIC 設(shè)計周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的熱分析，大幅提升了 RF 和熱功率放大器的性能。

Celsius Studio 幫助 Chipletz 的設(shè)計團(tuán)隊能夠及早獲取詳細(xì)信息，解決散熱問題，并顯著縮短了周轉(zhuǎn)時間。在 Chipletz 工程團(tuán)隊開發(fā)復(fù)雜設(shè)計時，能夠多次高效且詳細(xì)地運(yùn)行 3D-IC 和 2.5D 封裝的熱仿真。

總的來說，Cadence的 Celsius Studio為芯片、封裝、電路板和終端系統(tǒng)提供全方位的熱分析和優(yōu)化提供了一種獨(dú)辟蹊徑的做法。

結(jié)語

Cadence Celsius Studio 的推出，為當(dāng)今電子行業(yè)的發(fā)展帶來了全新的機(jī)遇。通過將人工智能與傳統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合，Celsius Studio 將幫助工程師克服日益嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)，加速創(chuàng)新產(chǎn)品的上市。通過提供精確的熱仿真和高效的設(shè)計優(yōu)化功能，Celsius Studio 將成為電子工程師的得力助手，助力他們設(shè)計出更高性能、更可靠的電子產(chǎn)品。

關(guān)于 Cadence

Cadence 是電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)者，擁有超過 30 年的計算軟件專業(yè)積累。基于公司的智能系統(tǒng)設(shè)計戰(zhàn)略，Cadence 致力于提供軟件、硬件和 IP 產(chǎn)品，助力電子設(shè)計概念成為現(xiàn)實(shí)。Cadence 的客戶遍布全球，皆為最具創(chuàng)新能力的企業(yè)，他們向超大規(guī)模計算、5G 通訊、汽車、移動設(shè)備、航空、消費(fèi)電子、工業(yè)和醫(yī)療等最具活力的應(yīng)用市場交付從芯片、電路板到完整系統(tǒng)的卓越電子產(chǎn)品。Cadence 已連續(xù)十年名列美國財富雜志評選的 100 家最適合工作的公司。如需了解更多信息，請訪問公司網(wǎng)站 www.cadence.com。

來源：微信-Cadence楷登

審核編輯 黃宇