Современная электроника №5/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 45 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2019 Рис. 1. Структура микросхемы в корпусе FC-BGA Рис. 2. Карта структур кристалла процессора Intel Core i7 Рис. 3. Общий вид модели О ПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ BGA- МИКРОСХЕМЫ В самом общем и упрощённом виде структуру интегральной микросхемы в корпусе типа BGA можно описать сле- дующим образом – непосредственно кристалл микросхемы (die) закрепля- ется тем или иным способом на под- ложке (substrate), на которой в свою очередь расположен массив шари- ков припоя (solder balls), посредством которых корпус с микросхемой мон- тируется на печатную плату изделия. Кристалл микросхемы может быть дополнительно закрыт корпусом или оставленоткрытым. Способов крепления кристалла к подложке также существу- ет несколько [3–4]. Все этиособенности влияют на параметрытепловоймодели и должны учитываться при её построе- нии. Для примера на рисунке 1 приве- дена структура FC-BGA-корпуса с закры- тымкрышкой кристаллом, прикреплён- нымк подложке по технологии flip-chip, который часто используется для совре- менных микропроцессоров. Главными компонентами корпуса являются: ● шарикиприпоя (solder balls) или сокет; ● подложка (substrate); ● бампы (bumps); ● кристалл (die); ● термоинтерфейс (TIM); ● крышка корпуса (LID). Корпуса PGA и LGA имеют похожую структуру, с той лишь разницей, что их монтаж на материнской плате осущест- вляется не пайкой, а установкой в сокет, соответственно, вместо шариков при- поя на корпусе микросхемы размеще- ны контактные площадки или ножки. О СОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ДЕТАЛИЗИРОВАННОЙ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ В геометрии тепловой модели вос- производятся главные структуры микросхемы: кристалл, подложка, шарики припоя и крышка. Термоин- терфейс и бампы целесообразнее пред- ставить в виде контактного теплового сопротивления из-за очень малой тол- щины этих структур по сравнению с другими структурами микросхемы. Стоит заметить, что в такой модели не учитывается в полной мере сложная структураподложкиикристалла. Всамом простомслучаеонизадаютсяматериалом сортотропнымисвойствами–усреднён- ными значениями теплопроводности в направлениивдольипоперёкплоскости. Наибольшее влияние на точность модели оказывает точное задание области тепловыделения на кристалле. В самом общем случае, когда о структу- ре кристалла нет никакойинформации, приходится задавать тепловыделение по всему объёму или всей лицевойповерх- ности. Физическимикроструктурыэле- ментов схемы кристалла расположены в достаточно тонком (в 100 раз тоньше, чем толщина кристалла [5]) слое крем- ния, поэтому правильнее задавать мощ- ность планарным тепловымисточником. Как правило, у сложных микросхем кристалл выделяет тепло неравномер- но – есть локальные зоны, типа вычис- лительных ядер, на которых выделяет- ся практически вся мощность, в то вре- мя как на остальной части кристалла тепловыделение практически отсут- ствует. В детализированных тепловых моделях от производителей микро- схем этот момент обязательно учиты- вается, однако даже если такая модель недоступна, можно учесть его на осно- ве открытых данных о структуре ядра. Пример такой локализации для процес- сора Intel Core i7 показан на рисунке 2, который размещён на сайте Intel [6]. В настоящей статье приводится срав- нение двух типов детализированных моделей – с усреднённым тепловым источником и с локализованным тепло- вым источником. О БЩИЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ , ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ И ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИ Для моделирования нагрева микро- схемы помимо информации о структу- ре микросхемы, мощности тепловыде- ления и характере теплового источни- ка, необходимо знать, в каких внешних условиях работает микросхема, т.е. как она установлена на материнскую пла- ту и какими параметрами обладает используемая система охлаждения. Для сравнения методик в настоящем документе берётся случай микросхемы процессора, установленного на сер- верную материнскую плату с систе- мой охлаждения, которая представля- ет собой радиатор, обдуваемый пото- ком воздуха определённой скорости. Скорость потока воздуха полагалась равной 5 м/с, а его температура +20°С. Эти параметры соответствуют типич- ным характеристикам систем охлажде- ния в современных дата-центрах. Мощ- ность процессора составляет 50 Вт. Поскольку в данной задаче модели- руется непосредственно процессор, вне системы (сервера), для упроще- ния расчёта берётся небольшой фраг- мент материнской платы вокруг про- цессора, помещённый в условный корпус, ограничивающий воздуш- ный поток таким образом, что имити- руются условия, типичные для обыч- ного 1U вычислительного сервера. Общий вид тепловой модели пока- зан на рисунке 3. Д ЕТАЛИЗИРОВАННАЯ ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ С УСРЕДНЁННЫМ ИСТОЧНИКОМ Согласно рассматриваемой методи- ке тепловая модель строится следую- Шарики припоя или сокет Термоинтерфейс (TIM) Подложка Бампы Кристалл Крышка корпуса Системный агент, контроллер памяти, контроллер ввода-вывода Графическое ядро и мультимедиа Ядро ЦПУ Ядро ЦПУ Ядро ЦПУ Ядро ЦПУ Общий кэш Интерфейсы ввода-вывода и памяти