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低熱梯度導向的三維FPGA互連通道網(wǎng)絡架構研究

高麗江 楊海鋼 張超

高麗江, 楊海鋼, 張超. 低熱梯度導向的三維FPGA互連通道網(wǎng)絡架構研究[J]. 電子與信息學報, 2019, 41(10): 2389-2395. doi: 10.11999/JEIT181134
引用本文: 高麗江, 楊海鋼, 張超. 低熱梯度導向的三維FPGA互連通道網(wǎng)絡架構研究[J]. 電子與信息學報, 2019, 41(10): 2389-2395. doi: 10.11999/JEIT181134
Lijiang GAO, Haigang YANG, Chao ZHANG. Research into Low Thermal Gradient Oriented 3D FPGA Interconnect Channel Architecture Design[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(10): 2389-2395. doi: 10.11999/JEIT181134
Citation: Lijiang GAO, Haigang YANG, Chao ZHANG. Research into Low Thermal Gradient Oriented 3D FPGA Interconnect Channel Architecture Design[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(10): 2389-2395. doi: 10.11999/JEIT181134

低熱梯度導向的三維FPGA互連通道網(wǎng)絡架構研究

doi: 10.11999/JEIT181134
基金項目: 國家自然科學基金(61876172, 61704173),北京市科技重大專項課題(Z171100000117019)
詳細信息
    作者簡介:

    高麗江:男,1982年生,博士生,研究方向為可編程芯片結構設計

    楊海鋼:男,1960年生,研究員,博士生導師,研究方向為大規(guī)模集成電路設計、電子設計自動化(EDA)技術

    張超:男,1987年生,助理研究員,研究方向為FPGA設計與測試

    通訊作者:

    楊海鋼 yanghg@mail.ie.ac.cn

  • 中圖分類號: TN402

Research into Low Thermal Gradient Oriented 3D FPGA Interconnect Channel Architecture Design

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61876172, 61704173), The Major Program of Beijing Science and Technology (Z171100000117019)
  • 摘要: 該文針對3維FPGA (3D FPGA)芯片存在的散熱問題,提出具有低熱梯度特征的互連網(wǎng)絡通道結構,力圖解決傳統(tǒng)FPGA勻稱互連通道設計在芯片堆疊實現(xiàn)上產(chǎn)生的溫度非平衡現(xiàn)象。該文建立了3D FPGA的熱阻網(wǎng)絡模型;對不同類型的通道線對3D FPGA的熱分布影響進行了理論分析和熱仿真;提出了垂直方向通道網(wǎng)絡非均勻分布的3D FPGA通道結構,實驗表明,與給定傳統(tǒng)FPGA互連通道結構相比,采用所提方法實現(xiàn)的3D FPGA設計架構能夠降低76.8%的層間最高溫度梯度,10.4%的層內溫度梯度。
  • 圖  1  均勻通道結構模型

    圖  2  3D FPGA結構

    圖  3  3D FPGA熱阻網(wǎng)絡模型

    圖  4  3D最小網(wǎng)格散熱分析模型

    圖  5  功耗不同分布熱分布對比

    圖  6  熱分布統(tǒng)計直方圖

    圖  7  多長度與單長度TSV熱分布對比

    圖  8  非均勻分布結構1

    圖  9  非均勻分布結構2

    圖  10  異質結構分布

    圖  11  傳統(tǒng)結構與新結構熱梯度仿真結果

    表  1  兩種情況的熱阻值

    熱阻錯開放置對齊放置
    R1RTS+RGRRTS
    R2RTS+RGRRTS
    R3RTS+RGRRTS
    R4RAMRAM
    下載: 導出CSV

    表  2  封裝材料設置

    部件材料尺寸
    切片Si8 mm×6 mm
    TSVCu直徑:20 μm,高度:50 μm
    Micro-Bump (微凸塊)Cu高度:20 μm
    Ceramic substrate (陶瓷襯底)氧化鋁30 mm×30 mm
    BGA solder ball (BGA焊球)Sn63/Pb37直徑:0.6 mm,中心距:1 mm
    PCB motherboard (PCB板)FR430 mm×30 mm
    下載: 導出CSV

    表  3  新結構熱分析統(tǒng)計結果

    最低溫度(°C)最高溫度(°C)平均溫度(°C)
    切片140.920345.159843.6753
    切片241.709145.205143.9975
    切片342.122945.233744.1000
    切片442.373945.271544.2322
    下載: 導出CSV

    表  4  層間熱梯度改善情況

    最低溫度梯度
    (°C)
    最高溫度梯度
    (°C)
    平均溫度梯度
    (°C)
    傳統(tǒng)結構1.46010.48240.6717
    新結構1.45360.11170.5569
    改善比例(%)0.476.817.1
    下載: 導出CSV

    表  5  層內熱梯度改善情況

    切片1切片2切片3切片4
    傳統(tǒng)結構溫度差(°C)4.21123.69693.36473.2335
    新結構溫度差(°C)4.23953.49603.11082.8976
    改善比例(%)–0.605.407.5010.40
    下載: 導出CSV

    表  6  與其它方法的對比

    方法層數(shù)架構改進措施改進效果
    文獻[5]5層島結構通過熱驅動的布局布線功耗減少34%
    文獻[15]2層樹結構通過在熱點增加2%的TSV用于散熱熱梯度降低57%
    本文4層島結構調整信號TSV,不增加TSV個數(shù)與總長度熱梯度降低18.12%
    下載: 導出CSV
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    PAVLIDIS V F and FRIEDMAN E G, 著. 三維集成電路設計[M]. 繆旻, 于民, 金玉豐, 譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013: 1–209.

    PAVLIDIS V F and FRIEDMAN E G. Three-Dimensional Integrated Circuit Design[M]. MU Min, YU Min, JIN Yufeng, Translation. Beijing: Machinery Industry Press, 2013: 1–209.
  • 加載中
圖(11) / 表(6)
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  • 被引次數(shù): 0
出版歷程
  • 收稿日期:  2018-12-10
  • 修回日期:  2019-03-18
  • 網(wǎng)絡出版日期:  2019-04-13
  • 刊出日期:  2019-10-01

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