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0 引言

為了在芯片設計開始時對整體設計進行更好的熱性能評估，本文在熱建模和熱模擬工具軟件的幫助下，整合了一套完整的芯片熱模擬過程。

1 原理

1.1 軟件原理

開源軟件需要熱建模和熱仿真芯片HotSpot[1]以及GEM5[2]，McPAT[3]。圖1可以描述三個軟件之間的關系。

HotSpot它是一種適用于計算機系統結構研究、準確、快速的熱建模軟件。它基于微架構模塊和熱封裝對應的電阻和電容等效電路進行模擬迭代。該工具基于有限元模擬的解決原理，可以得到設計芯片的系統結構模型。該模型可以輸入power對穩態和瞬態進行熱仿真，得到芯片某一時刻溫度數據的輸出。

GEM5.模塊化離散事件驅動全系統模擬器，可在模擬加載的系統鏡像中運行應用程序，輸出相應的統計數據。

McPAT它是一個可以連接到功耗、面積和時間建模的框架GEM以后計算輸出統計數據power作為模擬實際應用運行狀態的功耗數據。

最后，McPAT輸出的power作為功率數據輸入數據HotSpot在生成的功率模型中，有效地結合了三個工具。整個過程可以有效地模擬芯片模型，檢測芯片系統結構的性能特性和熱特性，并類似于芯片Turbo Boost[4]熱管理提供模型支持。

1.2 芯片架構

近幾十年來，隨著各種新材料、新技術的出現，芯片上晶體管的數量不斷增加。

為了獲得更好的性能，提出了更多的芯片系統結構，但隨著芯片的性能不斷被擠壓。近年來，專家提出了多核結構和三維結構。然而，多核結構[5]和三維結構[6]在工業設計中仍存在一定的困難，主要原因是芯片難以解決的散熱問題[7]。

傳統的芯片結構包括包裝和散熱模塊[8]。

多核結構是硅片上的二維結構，三維芯片是多個二維結構的堆疊。

其中，core.flp用坐標和寬高定義芯片中的每個模塊來定義需要模擬的芯片結構。在三維芯片中，ic.lcf定義了二維芯片之間的堆疊關系，例如。并在瞬態溫度曲線的第三秒顯示整個芯片溫度分布圖。

(a)二維多核結構的瞬態溫度曲線

(b)二維多核結構(3) s)芯片溫度分布圖

圖4 二維多核結構的輸出結果

3.2 三維多核結構

同樣，在三維多核結構中，每個核輸入功耗后使用HotSpot它可以模擬每個核心的溫度變化曲線。并顯示第3條瞬態溫度曲線 s整個芯片溫度分布圖，。

(a)三維多核結構的瞬態溫度曲線

(b)三維多核結構(3) s)芯片溫度分布圖

圖5 二維多核結構的輸出結果

從實驗結果中可以得出結論，本文的模擬平臺可以通過瞬態溫度數據和任何時刻的溫度，有效地模擬二維多核結構芯片和三維多核結構芯片Integra代理根據分布結果，研究人員可以在設計初期合理規劃熱模塊的位置，并在后期芯片中添加適當的管理程序，有效提高系統性能，降低熱風險。

4 結語

隨著芯片向多核芯片和三維結構芯片的發展，芯片中的熱問題越來越嚴重。因此，在設計初期，借助計算機輔助設計進行熱仿真，可以有效避免最終電路設計失敗。本文完整搭建了芯片的計算機輔助設計熱仿真平臺，利用該平臺完成了二維多核芯片和三維多核芯片的熱建模和熱仿真。本文建立的熱模擬過程可以調整芯片的設計布局，降低芯片工作時的整體平均溫度，有效解決芯片中熱密度過高的問題，通過模型熱管理最大化系統性能。熱仿真平臺在指導芯片設計和芯片熱管理研究方面具有重要意義。

參考文獻：

[1] HUANG W,GHOSH S,VELUSAMY S,et al.HotSpot: A compact thermal modeling methodology for early-stage VLSI design[J].IEEE Transactions on very large scale integration (VLSI) systems,2006,14(5):501-513.

[2] QURESHI Y M,SIMON W A,ZAPATER M,et al.Gem5-X: A Gem5-based system level simulation framework to optimize many-core platforms[C].2019 Spring Simulation Conference (SpringSim),IEEE,2019:1-12.

[ 3 ] D U E N H A L , M A D A L O Z Z O G , M O R A E S F G , e t al.Exploiting performance, dynamic power and energy scaling in full‐system simulators[J].Concurrency and Computation: Practice and Experience,2017,29(22):e4034.

[ 4 ] ACUN B , M I L L E R P , K A L E L V . V a r i a t i o n a m o n g p r o c e s s o r s u n d e r t u r b o b o o s t i n h p c s y s t e m s [C] .Proceedings of the 2016 International Conference on Supercomputing,2016:1-12.

[5] ETIEMBLE D.45-year CPU evolution: one law and two equations[J].arXiv preprint arXiv:1803.00254,2018.

[ 6 ] Z H A N G D K , H U A N G C , SON G G Z . S u r v e y o n t h r e e - d i m e n s i o n a l n e t w o r k - o n - c h i p [ J ] . J o u r n a l o f Software,2016,27(1): 155-187.

[7] CAO K,ZHOU J,WEI T,et al.A survey of optimization techniques for thermal-aware 3D processors[J].Journal of Systems Architecture,2019,97:397-415.

[8] 張明.眾核芯片熱建模與功耗管理技術研究[D].成都：2016年電子科技大學.

[9] BIENIA C,LI K.Benchmarking modern multiprocessors[M].Princeton,NJ:Princeton University, 2011.

(本文來源《IC2020年9月，代理雜志