逻辑折叠之热设计破局（二）——热数字孪生
04 传统热设计体系的困境
传统芯片热设计都是典型的“事后补救、被动散热”模式。研发流程中，行业都是先做完架构设计、逻辑综合、布局布线，等硬件架构基本定型后，再补做热仿真、匹配散热方案。
而且散热方案的评价方法并不十分科学，需要先制作样片，测量手段主要依赖点温度（传感器，红外等）的数据。这种方式采集的数据，体系割裂且误差偏高。摩尔时代形成的传统散热评价体系，主要依靠芯片内置传感器、红外测温等方式获取热数据。这类采集手段本身存在先天缺陷，内置传感器点位有限，仅能捕捉局部温度，无法完全表征芯片内部温度场的变化；红外测温又易受封装材质、堆叠遮挡、表面涂层干扰，测量偏差较大。同时，各类测温设备的数据标准不统一，底层数据相互独立、无法互通，难以形成完整、连贯的热状态数据集，设计人员无法精准掌握芯片真实的温度场分布、热点位置与热量传导路径，从源头制约了散热方案的设计精度。
在这样的背景下，热设计通常需要反复试错迭代，如果没有丰富的热设计经验，研发效率极低。传统热设计采用“设计 - 测试 - 修改”的循环模式，在单一平面芯片时代，该流程已需多次调试才能敲定方案，耗时耗力。而逻辑折叠的多层芯片叠加让热耦合关系变得极度复杂，热量在层间、垂直方向相互传导、聚集，热工况呈多元化特征。在此架构下，原有试错模式的工作量呈几何级数增长，设计人员要在海量未知的热工况中不断尝试调整方案，迭代次数大幅增加，不仅拉长研发周期，也持续推高人力与测试成本。
还有一个更重要的底层因素，设计逻辑适配性不足，难以应对堆叠架构的复杂热问题。传统热设计思路围绕平面芯片开发，仅需考量二维平面的热量扩散、表面散热等问题，热传导路径相对简单。逻辑折叠属于立体集成架构，层间热阻、垂直热串扰、局部热点叠加等全新问题集中出现，形成了传统经验无法覆盖的复杂热场景。传统方法缺乏对多层耦合热场的预判能力，只能被动根据实测数据事后调整，无法在设计前期完成热风险规避，面对堆叠芯片层出不穷的未知热问题，只能盲目试错，难以从根源上优化散热结构。
行业优化散热结构的思路也是割裂的，主要思路集中在提升散热路径上的材料的导热能力，比如TIM，散热器等等，或者改变结构，缩短散热路径。但局部能力的提升未必是整体散热能力的提升，而改变结构必然会导致其他问题，比如成本和可靠性指标的恶化等等。
纵观散热路径的演变，传统散热路径：AI 芯片→TIM 导热层→金属封装盖板→外置散热器，需要经过多层固体介质导热，层层叠加的热阻让结温快速超标，在千瓦级功耗下传统散热方案（VC，浸没式，喷淋等等）走到物理极限。为了提升散热效率，英伟达推出MLCP散热工艺，全称是 Micro-Channel Liquid Cooling Plate（微通道液冷板），其散热路径：AI 芯粒→TIM→微通道冷板→外部冷却液环路。从下面结构图可见，冷板直接压合在TIM上，取消了中间的封装盖板，冷却液经过冷板的细密迂回的微米级流道最大化换热面积，热量可以被迅速带走。
即便如此，也未必能满足逻辑折叠的芯片的散热需求，未来的路径可能是：AI 芯片→内嵌微流控通道直接液冷，把微通道蚀刻在硅晶圆内部，冷却液尽可能零距离接触热源，剔除 TIM、外置冷板等中间环节。
散热结构的变化会导致工艺难度提升，以及可靠性降低，设计方案需要在设计目标和被恶化的指标之间做妥协，这就需要有比较精确的方案评价指标（参考文章：液冷技术与方案评价）。目前的方案是芯片内部增加嵌入式的温度传感器，但问题并没有完全解决。
在芯片工艺迭代与逻辑折叠技术普及的背景下，传统热设计手段已难以适配新型芯片的散热需求，面对堆叠架构带来的热挑战暴露诸多短板，整体效率、精度与适配性均存在明显局限。数据精度不足、迭代效率低下、架构适配性差、行业优化思路依赖传统经验等诸多问题叠加，让传统热设计方法彻底跟不上逻辑折叠芯片的发展节奏，无法高效、精准地解决立体集成带来的散热恶化难题。
05 热数字孪生技术的应用
回归结温精确评估才是正确的方式[参考文章：逻辑折叠之热设计破局（一）——瞬态热测试精确评估结温]，而基于三维温度场，深度融合高精度热测试和热仿真的热数字孪生技术，可以精确获得芯片三维温度场的瞬态变化，是评价芯片热设计方案的有效手段。
热数字孪生技术是电子热设计的关键技术（参考文章：电子热设计的关键技术——“热数字孪生体”），严格来说热数字孪生是一个技术体系，是TDA（Thermal Design Automation，热设计自动化）的技术基础。
狭义的热数字孪生是一个可以表征物体温度场瞬态变化的高精度仿真模型。广义来说，热数字孪生是通过数据，结构函数，瞬态热阻曲线，寿命曲线，模型，高精度仿真，优化等技术，为电子产品的散热方案提供高水平、高质量的正向设计。
热数字孪生技术的基础是对结温高精度的测量，并依据结温去建立高精度仿真模型。对于复杂的逻辑折叠芯片，可以从三维温度场全面评价材料，结构，工艺对性能及可靠性的影响权重。热数字孪生技术依托测试采集、模型搭建、算法校准、工具赋能的全链条技术体系，实现三维温度场瞬态的精准仿真、分析与预判，广泛应用于电子产品研发、热设计优化、寿命评估等场景，核心技术细节及应用范围可分为五大核心模块。
其一，基于瞬态热测试的散热路径分析技术。该技术依托瞬态热测试设备采集芯片热响应数据，转化为瞬态热阻抗曲线，或者结构函数，对芯片内部及整体散热路径开展模糊化分析。通过捕捉设备瞬时温度变化、热传递速率等动态数据，精准定位散热路径上的主要瓶颈，解决传统稳态热测试无法识别的问题。主要应用于芯片散热结构优化、封装热路径排查、硬件散热缺陷定位等研发场景。
其二，可复用热模型技术，核心包含降阶模型、BCI模型等之类的等效热模型。该类模型在保留核心热学参数、保证工程所需精度的前提下，对复杂热仿真模型进行简化降维，具备可重复调用、运算快捷的特点。无需重复搭建仿真模型，能够快速输出芯片结温数据，适配产品早期研发阶段，可快速完成多版硬件方案的热性能初步评估、方案筛选，大幅提升前期方案迭代效率。
其三，高精度仿真耦合实测验证技术。高精度仿真模型可搭建全真虚拟热环境，开展虚拟热实验、材料参数优化等探索，模拟不同工况、功耗、环境温度下的设备热状态。通过虚拟仿真完成多轮前期迭代后，结合物理实测技术对仿真数据进行校准验证，打通虚拟仿真与物理实测的壁垒。该技术广泛应用于新品研发全流程，能够替代大量传统实物试验，显著缩短研发周期，降低样品试制、试验测试的研发成本。
其四，测试仿真融合自动校准技术。作为热数字孪生的核心赋能技术，该技术可深度联动实测数据与仿真模型，自动修正仿真参数偏差、模型误差，解决传统仿真模型适配性差、人工校准门槛高、误差大的痛点，降低热数字孪生技术的落地应用门槛，让非专业人员也可快速完成精准热仿真建模，适配各类电子设备热孪生模型的搭建与迭代优化。
其五，TDA工具链的应用。该类工具集成结温计算、雨流分析、动态功耗计算、设备寿命评估等核心功能，形成一体化热研发工具体系。兼顾轻量级部署、高精度运算的双重优势，可直接辅助工程师完成芯片结温校核、功耗匹配分析、热疲劳评估、产品使用寿命预判等核心研发任务，适配消费电子、车载芯片、工业控制芯片、先进封装芯片等多领域的热设计与可靠性验证工作。
逻辑折叠芯片结构堆叠紧密，依靠传统热设计方式，很难精准找到散热短板，也难以提前预判热失效隐患。而热数字孪生技术可以快速定位折叠结构的散热问题，搭配轻量化模型高效完成早期方案迭代。通过仿真校准和TDA工具精准计算结温、评估热疲劳寿命，攻克折叠芯片的热耦合难题，为实现芯片性能和可靠性的设计提供了有力的保障。
