单片和芯片 ASIC 设计的热比较

服务器单片管芯和 2.5 D / 3D 封装之间的热考虑因素

背景

随着服务器功率损耗级别和封装架构复杂性的增加，热管理变得至关重要且具有挑战性。从包级到板级探索集成热管理是必要的，以确保高功率组件的性能和可靠性。摩尔定律放缓后，设计人员转向垂直方向的设备构建设计，如2.5D和3D集成电路封装解决方案。

封装选项与热性能比较

比较了单片模具（MCM）、2.5D和3D封装的热性能，并探讨了散热解决方案。

封装设计和模型设置

• 选项0（单片MCM）：尺寸65mmX65mm，总功率214W。
• 选项1（MCM）：尺寸720um，总功率214W。
• 选项2（2.5D内插器）：尺寸554um，包含一个150W ASIC和两个32W SRAM。
• 选项3（3D堆叠）：尺寸300mm2(17mmX17.6 mm)，包含一个150W ASIC和两个32W SRAM。

热观测结果

• 单片die的Tj略高于MCM和2.5D封装。
• 3D“堆叠”的die的Tj显著更高。
• 对于多芯片设计，中心芯片温度（Tcase）并不总是可靠的指标（MCM与2.5D基板之间存在差异）。
• 高功率die会加热低功率die，当ASIC与SRAM之间的功率差异增大时，这种影响更加显著。

热考虑因素

• 单片die：更高的单晶硅开发成本，复杂的3D堆叠芯片制造工艺。
• MCM或2.5D模块：热点温度控制，允许的最大操作温度。
• 蒸汽室：高效散热，降低整体温度，控制温度分布。

蒸汽室效果

• 使用选项2作为示例，ASIC功率300W，每个SRAM 32W，36 CFM体积流量：
  • 高效将热量传导至外部散热器底座。
  • 降低整体温度，包括热点区域。
  • 控制温度分布，散热器底座温度更低。

结论和讨论

• 研究中的热管已在无盖封装中应用，但某些封装可能存在机械风险。
• 材料改进，如使用金属散热材料（例如铟）。
• MCM和2.5D中介层封装设计在热性能方面优于单片die和3D封装。
• 早期阶段仅使用T_case中心进行热设计可能会因考虑不到封装设计的不同而误导。
• 可采用各种冷却解决方案来缓解热点问题，例如蒸汽室。

呼吁采取行动

• 扩展ODSA社区。
• ODSA下的公司协作。
• 开发功率管理方法以预测硅的热可靠性。
• 测试与仿真相关性分析。
• 项目维基包含最新规范：https://www.opencompute.org/wiki/Server/ODSA。
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