芯粒异构集成为半导体行业带来了革命性的升级，能够有效解决芯片设计和制造中的诸多瓶颈。然而，尽管高密度集成降低了算力芯片的成本，但同时也面临着功耗显著增加和散热困难等技术挑战，因此热管理成为提升芯片性能的关键。为了应对芯粒异构集成的复杂性，开发新的热仿真方法成为Chiplet热管理技术的新要求。
针对这些挑战，微电子所EDA中心的多物理场仿真课题组构建了一个三维网格型瞬态热流仿真模型，能够高效准确地模拟Chiplet集成芯片的瞬态热流，为芯粒异构集成的温度热点检测和温感布局优化提供了核心技术基础。此外，课题组在集成芯片的电热力多物理场仿真方面也进行了布局，开展了直流压降、热应力和晶圆翘曲仿真等研究工作。
近期，课题组在Chiplet热仿真工具方面取得了新的进展。通过对重布线层（RDL）、硅通孔（TSV）和凸点阵列进行各向异性等效，构建了从GDS版图到系统级封装的跨尺度各向异性热仿真模型，提升了仿真模型的精度，并优化了集成芯片的温度热点检测方法。同时，课题组构建了芯粒异构集成电热耦合仿真模型，支持复杂互连结构物性参数等效，实现了电热双向耦合的高效计算，能够准确描述集成芯片在焦耳热效应下的温度变化。此外，基于上述模型和算法的研究进展，课题组自主研发了晶圆级热仿真模拟器，拓展了热仿真方法至更大尺度。该模拟器不仅能为芯粒异构集成芯片提供大尺度的热仿真分析，还支持散热器流体动力学模型设计，其仿真结果更接近实际应用场景的温度热点预测，有助于优化热设计仿真流程。与有限元方法相比，模拟器的单元数量减少了2.78倍，运行时间减少了25.9倍，相对误差为0.38%。目前，课题组已与国内知名企业展开热仿真关键技术合作，相关模型和算法正在进行应用验证。
这些研究得到了中国科学院战略性A类先导专项、国家自然科学基金重大研究计划、国家重点研发计划和中国科学院青年交叉团队等项目的支持。研究成果已发表在顶级期刊《Applied Thermal Engineering》和《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》上。微电子所研究生王成晗和马晓宁为上述论文的第一作者，徐勤志研究员和李志强研究员为通讯作者。
图1 各向异性热仿真
图2 电热耦合仿真
图3 热仿真模拟器
