在處理和存儲數據方面，功耗至關重要，而其中許多方面並不理想。與功耗相關的問題，尤其是熱量問題，如今主導著芯片和系統設計，而且這些問題在不斷擴大和增多。隨著晶體管密度的提高，這些微小的數字開關產生的熱量無法通過傳統方式消除。盡管這個問題看似可以控制，但這產生一連串需要整個行業共同解決的新問題，包括EDA公司、制程設備制造商、晶圓廠、封裝廠、現場監測與分析服務商、材料供應商、研究團隊等。
在這些活動的背後，一個持續的焦點是將更多晶體管集成到固定區域內，以及與之密切相關且不斷加速的功耗泄漏戰鬥。FinFET在16/14納米技術中解決漏電門問題，但僅在兩個節點之後問題再次出現。在3納米制程中，引入與眾不同的全包圍柵極場效應管（即納米片）結構，這使得設計、計量、檢驗和測試變得更具挑戰性和成本。在2納米/18埃技術中，為確保向晶體管傳輸足夠的功率並緩解佈線問題，會從芯片的正面翻轉到背面進行電源傳輸。在更高技術水平中，行業可能會再次改變晶體管結構，采用復合場效應晶體管（CFET）。在這一短時間窗口中，眾多工藝和結構變化不斷湧現，每個新節點都需要解決更多問題。
例如，隨著高密度芯片和封裝技術發展，瞬態熱梯度問題日益受到關註。這些熱梯度以不可預測的方式移動，有時迅速，有時緩慢，並且會隨著工作負載的變化而變化。在40納米工藝中，采用較厚的電介質、基板和更寬松的間距，這些問題僅被當作小麻煩。但在當前尖端的制程技術中，我們需要更認真地對待這些問題。
Cadence產品管理總監Melika Roshandell表示：“盡管基本漏電較之前的技術有所降低，但總體功耗卻更高。所以，熱量問題將更加嚴重，因為你在一個集成電路中集成更多的晶體管，同時不斷提高性能。你希望采用越來越高的頻率，為此需要提高電壓和功耗。現在的總功耗比上一代更高，所以熱量問題將更嚴重。此外，在使用更小節點時，芯片面積也在減小。面積縮小和總功耗增加有時可能導致熱問題惡化，從而使芯片無法達到
圖1：運行中的3D-IC設計的熱力學耦合仿真
熱量正成為所有硬件工程師共同的噩夢，並引發一些難以解決和預先建模的惡性循環：
熱量加速用於保護信號的電介質薄膜（時間依賴型電介質擊穿，或稱TDDB）的破裂，並增加機械應力，從而導致翹曲。
熱量導致一系列問題：它加速電遷移和其他老化效應，可能使數據通路變窄。這進一步增加電路阻力產生的熱量以及驅動信號所需的能量，直至（如果可能的話）信號重新路由。
熱量還會影響存儲器的運行速度，降低系統整體性能。
此外，熱量產生的噪聲對信號完整性造成影響，而且噪聲可能是瞬時的，這使得分區更加困難。
所有這些因素都可能縮短芯片的壽命，甚至影響芯片的一部分。西門子EDA的模擬和混合信號驗證解決方案的首席產品經理Pradeep Thiagarajan表示：“熱降解晶體管很容易導致芯片或IP損壞。幸運的是，大多數設備的自熱分析可以通過對每個MOS器件進行瞬態測量來評估局部加熱對設計的影響，然後加載溫度差數據並評估波形影響。現在，在面臨越來越高的數據傳輸速率要求的情況下，各個方面都需要創新。因此，更好地對所有熱界面材料進行建模，就能更有可能解決這些影響，並進行適當的設計調整，避免短期或長期的硬件故障。歸根結底，我們需要創新的熱解決方案，同時還必須進行正確的建模。”
功耗問題叢生
許多芯片制造商剛開始應對這些問題，因為大部分芯片並未使用最先進的制程開發。但隨著芯片越來越多地變成由芯片單元組成，所有內容都需要在非40nm或更高工藝平面芯片開發的條件下進行特性描述和操作。
值得註意的是，提高晶體管密度，無論是在單個芯片還是高級封裝中，未必是提升性能的最有效途徑。然而，它確實會提高功率密度，限制時鐘頻率。因此，許多顯著進步並非與晶體管本身緊密相關。這些進步包括硬件-軟件協同設計、更快的物理層和互連、新型絕緣和電子遷移材料、具有較高精度和較短恢復時間的預取處理、稀疏算法以及新的電源傳輸方案。
Arm公司高級首席CPU架構師Vincent Risson表示：“理解整個系統堆棧非常重要。當然，計算機對功率有重要貢獻，但系統的其他部分也同樣重要。這就是為什麼我們有不同級別的緩存，而且緩存的大小也不同。我們在上一代產品中加大緩存規模，因為擁有本地緩存能使下遊電源將計算視為本地運行。隨著我們擴展到3D，我們可以設想使用3D堆疊緩存，這將有助於減少數據傳輸並提高效率。”
關鍵是在設計周期的每個環節提高效率，不僅僅局限於硬件。盡管近幾十年來芯片產業一直關註硬件——軟件協同設計，但系統公司通過定制化微架構優先采用這種方法，同時，移動設備也力求為競爭優勢而大幅延長電池壽命。
Risson表示：“我們進行許多調整來充分提升性能，這是CPU致力於解決的一個重點問題。例如，我們持續改進所有預取引擎，以提高準確性並降低下遊數據的流量。因此，我們在保持更好覆蓋的同時，減少互連上的流量。”
這僅僅是難題的一部分，我們還需要解決更多方面的問題。例如，隨著時間的流逝，介電膜會逐漸損壞。這種情況會受到不同工作負載或工作條件的加速，尤其是在充滿芯片片制品的封裝內部。Ansys電子、半導體和光學事業部的研究員及首席技術專傢Norman Chang表示：“由於我們需要處理如此眾多的信號和運行在不同電壓下的多邊形網絡，時變介電擊穿（TDDB）成為一個問題。如果一個網絡與另一個不同電壓的信號網絡相鄰，那麼介電材料就會感應到不同的電壓場。隨著時間的推移，會出現時變的介電擊穿現象。這是一個新問題，我們需要找到針對它的解決辦法。”
不一致性問題
熱梯度也是一項挑戰，特別是當它們變化不定且在不同工作負載間有較大差異時。這個問題在2.5D設計中尤為明顯，可能導致變形。而預期在未來幾年推出的3D-ICs中也存在同樣問題。在這兩種情況下，熱量可能會被困住，從而產生滾雪球效應。
圖2：2.5D 集成電路的熱力學與力學分析結果，展示溫度梯度，包括在245°C時的翹曲情況
張表示：“在3D-IC中，功耗與溫度有很大的關系。當溫度升高時，漏電功耗將增加，熱梯度分佈成為3D-IC中多物理互動的核心。溫度會影響功耗，同時也會影響電阻。當溫度升高時，電阻也會增加，這也將影響介電常數。這會對信號完整性和功率完整性產生影響，同時還會影響應力。在3D-IC中混合使用數字和模擬時，模擬部分對應力更敏感。你需要知道熱梯度和熱點的位置，以便將模擬元件遠離熱點。如果你看到模擬元件的熱循環，設備的老化速度會加快，你會開始看到晶體管失配，模擬電路的效率相較於數字邏輯會迅速下降。”
這僅僅隻是開始。新思科技（Synopsys）的產品管理高級總監Kenneth Larsen指出，將堆疊芯片中各個元素的位置安排錯誤可能會產生一些意想不到的問題，例如熱交叉幹擾，這也可能會降低整體性能。“我們已從單片設計轉向基於碎片的設計，這使得各個設備之間的距離縮小，它們可以互相影響。當一個設備堆疊在另一個設備上時，熱量如何散發出去？這是一個巨大的挑戰。對於3D-ICs，第一個問題是能否構建具有結構完整性的系統。同時，你還需關註其他的機械、熱和功耗問題——亟待解決的問題實在太多。”
在過去，處理熱量的最簡單方法是降低電壓。然而，這種方式已經變得不再有效，因為在極低電壓的狀態下，輕微的異常現象就可能導致問題。Fraunhofer IIS自適應系統工程部門設計方法主管Roland Jancke說：“對於低功耗技術（如臨界或亞臨界器件）和高功耗設備來說，噪聲是一個關鍵話題。這是一個難以理解的問題，因為在模擬過程中它通常不會出現，而是在現實世界中暴露出來。當噪聲問題在現實中出現時，你需要解並應對它。”
以交叉耦合為例，在設計階段，其在基底中產生的噪聲並不容易察覺。Jancke表示：“我們在幾年前就開始使用基底模擬器來研究基底內的交叉耦合狀況。當時關註的重點是單個設備及其周圍的設備。然而，大傢往往忽略通過基底耦合的、距離較遠的輸入階段的交叉耦合問題。”
此類問題也會導致DRAM中出現問題，特別是在比特單元密度增加時，更容易受到噪聲影響。蘇黎世聯邦理工學院的計算機科學教授Onur Mutlu表示，“肯定存在熱噪聲。另外，當你訪問一個單元時，由於導線切換等原因導致的電幹擾會在結構中產生噪聲，或者是訪問晶體管。這種激活行為會產生噪聲，導致可靠性問題。我們稱之為單元間幹擾。行錘問題是一個例子，激活一行時會幹擾相鄰的行。RowPress是另一個例子，你長時間保持一行打開狀態，這會影響到相鄰的其他行。隨著我們減小每個單元的大小、縮小單元間距並提高密度，這種單元幹擾現象變得越來越普遍。這可能會導致無聲的數據損壞，而這可能正是現實場景中發生的情況。”
在功耗方面，總會出現一些意想不到的問題。Movellus的功耗架構師Barry Pangrle表示：“不論何種時鐘頻率，都希望在最低電壓下運行，以便用最少的能量。盡管我們可以建立一定程度的模型，但總會遇到一些意外情況。可以對一塊芯片在不同環境下調整電壓和頻率來測試其在不同負載下的表現。可以利用這些數據，若要更為謹慎，可以適當降低設置，留出一定的餘量。但是人們不可能針對每個芯片都這樣做。那麼，你是否要對芯片進行分類，比如‘屬於這種類別的芯片將在這個時鐘和這個電壓下運行。’另外，粒度細節的選擇將取決於銷售該芯片的廠商。”
其他問題
功耗還涉及到資金方面的問題，包括從創建復雜設計所需的資源，到數據中心耗電量的多少。晶體管密度越高，服務器架啟動和降溫所需的能量就越多。在各種類型的人工智能應用中，目標是最大限度地提高晶體管利用率，這反過來會消耗更多的能量，產生更多的熱量，同時需要更多的冷卻。
proteanTecs工程解決方案副總裁Noam Brousard表示：“這些應用需要大量電力，且需求呈指數級上升。高效的電力消耗最終將為數據中心帶來顯著的節省。這是最重要的。此外，我們還要關註應用對環境的影響，並希望延長電子產品的使用壽命。”
圖3：功耗對芯片的影響
功耗相關的影響並不僅限於芯片本身。Cadence的Roshandell表示：“在2.5D設計中，熱應力會導致翹曲，從而增加可能會破壞連接基板和PCB之間焊球的風險。一旦產生裂縫，就會出現短路，從而導致產品無法正常工作。因此，如何解決這個問題以及如何建模至關重要。必須在設計的最早階段提前考慮到這一點並采取相應措施。”
在3D-ICs中，問題變得更加復雜。再次強調在設計周期早期發現問題的重要性，但在3D-ICs中，存在累加效應。Ansys的張表示：“與SoC相比，動態開關功率在3D-ICs中真的非常棘手。我們必須盡早考慮物理架構，因為如果你在一個3D-IC中有15個片上芯片，那麼如何在這15個片上芯片之間分配功率以適應動態工作流和時間維度呢？在不同的時刻，某個片上芯片可能會有不同的工作負載，這可能會產生熱點。但如果頂部晶片有局部熱點，底部晶片也有局部熱點，當兩個局部熱點在某個時間點對齊時，這個熱點將變成全局熱點。如果其他晶片沒有切換，全局熱點可能比局部熱點高出10至15攝氏度。這讓3D-IC電路設計師完全措手不及，因為當你對3D-IC中的一個片上芯片進行模擬時，你可能無法以現實的工作流程對整個3D-IC進行模擬。”
問題在於，存在許多相互依賴的因素，需要在某種背景下理解所有事物。是德科技設計和仿真產品組副總裁兼總經理Niels Faché表示：“你無法獨立優化這些設備。你可能會關註熱量方面的目標，比如最高溫度、熱量散發，但你需要在機械應力的背景下理解這些問題。你必須建立這些獨立物理效應的模型。如果它們之間關系非常緊密，你需要以聯合仿真的形式進行。舉個例子，我們采用電熱仿真。所以，當觀察流經晶體管的電流時，它會對熱量產生影響。接著，熱量會影響電氣特性，進而改變電氣行為，你需要對這些相互作用建模。”
解決方案
對於與功耗相關的問題，沒有單一、全面的解決方案，但有很多能解決部分問題的方案。
解決問題的一個方法，也許是最簡單的方法，就是限制過度設計。Rambus研究員和傑出發明傢Steven Woo表示：“一切都始於關註目標應用場景，以及定義解決這些場景所需的功能。試圖增加各種功能來滿足其他潛在市場和使用場景的需求可能很誘人，但這往往會導致芯片面積、功耗和復雜性的增加，從而影響芯片主要應用的性能。我們必須嚴格地審視所有功能，以極具挑戰性地判斷它們是否真正需要整合在芯片中。每一個新功能都會影響到PPA（功耗、性能和面積），因此始終關註目標市場和使用場景是第一步。”
這將對整體功耗產生顯著影響，特別是在AI領域。Woo表示：“在AI中有許多因素需要考慮，尤其是對於邊緣設備。一些選擇包括芯片供電方式、散熱限制、是否需要支持訓練和/或推理、精度要求、芯片將被部署的環境以及支持的數字格式等。支持大量功能集意味著更大的面積和功耗，以及在功能未使用時添加禁止的復雜性。由於數據傳輸影響性能並消耗大量能量預算，設計師需要充分解在開發能夠最大限度地減少邊緣數據傳輸的架構時需要移動多少數據。”
另一種方法是對設計進行實際工作負載測試。新思科技的低功耗解決方案產品管理高級總監William Ruby表示：“有些客戶正在嘗試讓我們運行代表性的工作負載，因為我們不知道還有什麼不知道的事。” 這就像是功耗覆蓋。“我們認為什麼樣的情況是持續的最差情況？我們認為什麼樣的空閑負載是好的？” 但他們不知道的是，新的軟件更新可能如何改變整個活動特征。希望這種變化是漸進式的，而且他們已經為此做預算，而不是悲觀地過於保守。但是如何預測固件更新會發生什麼變化呢？
背面供電是另一個選擇，尤其是在最先進的節點上。“在某種程度上，你會遇到收益遞減的問題，因為你需要處理從頂層到底層的材料，而頂層往往是供電和接地佈線，”Movellus的Pangrle表示，“如果你可以從背面實現供電，而不必穿過頂部的17個金屬層，那麼你就不需要經過很多層。能夠繞過整個金屬堆棧並從背面接近晶體管，從而不必擔心穿過所有的過孔，這就像是制造業的魔法。”
在芯片和封裝內部使用傳感器監測與功耗相關行為的變化是另一種方法。proteanTecs的Brousard表示：“在現實應用中，有許多因素會降低性能，因此我們必須預設電壓保護帶。我們知道會有噪聲、過度的工作負載以及芯片的老化現象。所有這些因素迫使我們在最佳情況下應用大於VDDmin的電壓。”
此外，銅線可以用於傳導熱量至可以散熱的地方。新思科技的Larsen表示：“你可以采取簡單措施，比如優化堆疊芯片中的TSV佈局，也可以使用熱過孔。這非常復雜，但EDA領域一直在處理指數型問題。這是我們需要解決的。但是，當你想緩解某些問題時，你需要增加一些東西，雖然可能會影響到某些你期望得到的價值，但這是需要解決的。為可靠性，你可能會增加冗餘，它可能是堆疊中的TSV或混合鍵合。”
結論
過去幾十年來，功耗一直是頭部芯片制造商的一個問題。智能手機會發出運行過熱的警告，並在冷卻下來之前關閉。出於同樣的原因，一個服務器機架可能會將負載轉移到另一個機架。但芯片越來越多地被分解成各種組件並封裝在一起，隨著汽車等行業開始開發5納米及以下的芯片，功耗問題將在更多領域出現。
架構、佈局佈線、信號完整性、發熱、可靠性、可制造性和老化都與功耗緊密相關。隨著芯片行業繼續以獨特的方式以及不同的功能來應對獨特的市場，整個行業都需要學習如何處理或解決與功耗相關的影響。在過去，隻有產量最高的芯片制造商才關心功耗，而現在變得不同的是可以忽略功耗設計的制造商越來越少。