Современная электроника №5/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2019 щим образом. Задаются геометриче- ские примитивы в виде параллелепипе- дов, имитирующие главные элементы структуры микросхемы. Для каждого такого примитива задаётся материал с соответствующими свойствами тепло- проводности и теплоёмкости, для неко- торых структур, например, подлож- ки – с ортотропными. Далее задаётся тепловой источник – в данном слу- чае объёмный, на весь кристалл, или поверхностный, на всю площадь ниж- ней поверхности кристалла (см. рис. 4). Главный недостаток такой моде- ли, как уже было замечено, усреднён- ное распределение тепловыделения на кристалле – мощность тепловыде- ления в реальном кристалле распре- делена неравномерно по его поверх- ности. На кристалле имеются горячие участки, соответствующие, например, вычислительным ядрам, которые выде- ляют большую часть мощности. Таким образом, усреднение тепловыделения по всему кристаллу занижает макси- мальную температуру нагрева, что приводит к неверной оценке эффек- тивности охлаждения микросхемы и неверной оценке работоспособности изделия при определённых условиях (как правило, при повышенных тем- пературах) окружающей среды. Фак- тически такие расчёты дают слишком оптимистичный результат, что в реаль- ности может привести к использова- нию недостаточно эффективной систе- мы охлаждения и перегреву изделия. Зная о таком недостатке модели, раз- работчик вынужден завышать параме- тры системы охлаждения, что, в общем случае, ухудшает характеристики изде- лия – увеличиваются его вес, габариты, уровень шума и пр. В результате моделирования с задан- ными условиями установлено, что мак- симальная температура кристалла про- цессора составляет +38°С, и она равна средней температуре кристалла. На рисунке 5 показано распределе- ние температур на поверхности под- ложки, в том числе и в зоне контакта с кристаллом, т.е. в зоне расположения теплового источника (зоне максималь- ного нагрева). Видно, что нагрев прак- тически равномерный, без каких-либо горячих областей. Д ЕТАЛИЗИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ С ДЕТАЛИЗИРОВАННЫМ ИСТОЧНИКОМ Детализированная модель в общем повторяет предыдущую (с усреднён- ным источником) за исключением её главного недостатка. Теперь тепловыде- ление задаётся только в тех зонах кри- сталла и в таком объёме, где оно дей- ствительно присутствует. В данном случае зона активного тепловыделе- ния расположена на части кристалла процессора, соответствующей вычис- лительным ядрам, и находится в рам- ках прямоугольника, как показано на рисунке 6. Соответственно, в тепловой модели мощность задаётся поверхност- ным источником на нужную область. Согласно результатам детализи- рованного моделирования средняя температура кристалла осталась рав- Рис. 4. Модель процессора в корпусе LGA, установленного в сокет Рис. 6. Область тепловыделения на кристалле процессора Рис. 5. Усреднённый тепловой источник (температура на подложке и поверхности кристалла) Рис. 7. Детализированный тепловой источник (температура на подложке и поверхности кристалла) 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 Температура (твёрдое тело), ° С 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 Температура (твёрдое тело), ° С