逻辑折叠之热设计破局（一）——瞬态热测试精确评估结温

01 韬定律，逻辑折叠是关键

摩尔定律，靠的是晶体管几何尺寸不断缩小来提升性能，而韬定律（τ定律）以芯片整体系统优化为核心，通过架构重构、逻辑重组、流程优化，全方位开发芯片性能、功耗和面积的潜在空间。逻辑折叠是颠覆度最高、落地难度也最大的一项核心技术。和传统芯粒拼接、模块简单堆叠的粗放集成方式不同，逻辑折叠会把同功能的逻辑单元拆分到标准单元级别，重新精细化重构后，以三维垂直形式排布在多层晶圆中，再依靠微纳混合键合技术打通垂直互联通道。简单来说，就是用三维空间重构替代传统二维平面延展，能有效缩短走线、减少传输延迟、降低运行功耗，让芯片整体性能实现跨越式提升。

逻辑折叠的理论雏形并不新鲜，南洋理工大学早在2017年就发表了相关论文，为后摩尔时代的芯片架构创新提供了新思路。但因为整体技术门槛极高，这项技术长期停留在学术层面，很难落地量产。直到近几年，华为等少数头部企业陆续攻克核心难题，才让逻辑折叠真正实现工程化落地，从理论走向产业。目前行业里多数企业难以跟进，不只是传统设计工具适配性不强，更关键的是三维堆叠带来的热设计难题，这也是当下阻碍逻辑折叠大规模普及的最大卡点。

02 EDA需要重构，更难的是热设计

逻辑折叠落地第一个阻碍是EDA工具需要彻底重构。传统EDA工具是为二维平面芯片设计打造的，适配平铺布局、分层独立优化的老旧流程，完全跟不上逻辑折叠三维堆叠、跨层互联、单元混排的全新架构。逻辑折叠把多层晶圆整合为一个完整的垂直系统，需要工具支持全域协同优化、跨层逻辑联动、三维智能布线，所以传统二维EDA工具必须全面迭代，才能适配新的设计模式。

EDA重构只是基础门槛，热设计优化才是真正的核心难点。

上个周五参加了华封集芯组织的先进封装研讨会，会议高度关注了先进封装的散热新能和可靠性评价的问题。传统二维芯片热源分散、散热路径清晰、热场规律相对简单，芯片的散热评价主要依赖红外，内置温度传感器和热电偶等测试数据去做横向比较，尽管数据误差是存在的，但基本能满足应用的要求（在对成本和性能没有极致追求的前提下）。而逻辑折叠的高密度垂直堆叠架构，让晶体管和互联线路高度集中，衍生出一系列全新的热问题。没有科学一致的评价指标，芯片的稳定性、性能上限和使用寿命都难以预测。毫不夸张地说，EDA的设计决定芯片是否能完全满足需求，而热设计则决定了芯片的生死。

英伟达Vera Rubin芯片，采用台积电第3代3nm制程与CoWoS-L封装技术，其功耗最高达到2300W，什么概念，家用的电饭锅大概2000W左右。

而逻辑堆叠的芯片，晶体管密度翻倍，其热流密度高达500–1000W/cm²，而且热量被 “夹” 在层间，散热方式以纵向导热为主。多层有源晶圆叠加导致热量纵向堆积、局部热密度飙升，而且实际芯片还会存在跨层热耦合、定点热点、热应力不均等问题，关键这些物理现象无法客观定量去评价，因为这时候红外无法使用（热量被盖子盖住了），内置温度传感器的温度物理意义不明，热阻测量的误差较大（参考文章：不同热测试标准Rthjc测试的实验设计及数据比较分析），更不用说热电偶了——传统热设计方法论几近失效。

03 芯片性能客观评价的唯一有效指标——结温

我们认为，芯片热设计的核心目标是为了控制和降低芯片在运行时的结温，这里的结温是热源的平均温度，不同于内置传感器的温度，结温是有明确物理意义的物理量，可以被测量（参考文章：热测试（一）——ETM法测量结温），也可以作为芯片性能评价的科学数据（第一性原理）。

如果芯片内部只有一个热源，结温可以定义为热源功耗在其散热路径上对时间的卷积，如果功耗谱准确，散热路径已知（可以用Zth表征），那么结温是可以被精确计算的（参考文章：如何用卷积工具准确预测结温）。逻辑折叠芯片内部有多个热源，计算结温要考虑热源之间的热串扰，依据表征散热路径的矩阵，依据线性时不变的法制，一样可以计算每个热源的瞬态结温。

功耗的计算是芯片的电学特性（目前我司有开发该工具的计划，但因为还没有正式Release，暂时在这里不做具体阐述）；散热路径是热源散热所经过的所有材料热特性的总和，需要使用基于JESD 51-14标准的瞬态热测试设备来获得（参考文章：热测试（二）——瞬态热测试与结构函数），而多热源的散热路径Zth矩阵，需要基于MIMO的瞬态热测试设备去提取（参考文章：浅谈先进封装芯片的热设计）。

基于以上条件，我们可以直接得到芯片特定热设计方案的结温，和设计目标做比较，从而判断现有热设计方案是否满足设计要求。

从摩尔定律的尺寸缩放，到韬定律的系统优化，半导体产业已经正式从“制程物理突破”迈入“架构逻辑重构”的新阶段。逻辑折叠作为后摩尔时代的核心创新，由于其复杂的架构，结温会受到多重因素的影响，其评估精度和难度要远高于传统芯片，更重要的是，其结温精准评估的重要性也远远高于传统芯片——只有对芯片内部每个热源的瞬态温度做精确的评估，才是揭示和描述问题的前提，为有效解决问题提供明确的数据目标。