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低热梯度导向的三维FPGA互连通道网络架构研究

高丽江 杨海钢 张超

高丽江, 杨海钢, 张超. 低热梯度导向的三维FPGA互连通道网络架构研究[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(10): 2389-2395. doi: 10.11999/JEIT181134
引用本文: 高丽江, 杨海钢, 张超. 低热梯度导向的三维FPGA互连通道网络架构研究[J]. 电子与信息学报, 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

低热梯度导向的三维FPGA互连通道网络架构研究

doi: 10.11999/JEIT181134
基金项目: 国家自然科学基金(61876172, 61704173),北京市科技重大专项课题(Z171100000117019)
详细信息
    作者简介:

    高丽江:男,1982年生,博士生,研究方向为可编程芯片结构设计

    杨海钢:男,1960年生,研究员,博士生导师,研究方向为大规模集成电路设计、电子设计自动化(EDA)技术

    张超:男,1987年生,助理研究员,研究方向为FPGA设计与测试

    通讯作者:

    杨海钢 yanghg@mail.ie.ac.cn

  • 中图分类号: 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: 该文针对3维FPGA (3D FPGA)芯片存在的散热问题,提出具有低热梯度特征的互连网络通道结构,力图解决传统FPGA匀称互连通道设计在芯片堆叠实现上产生的温度非平衡现象。该文建立了3D FPGA的热阻网络模型;对不同类型的通道线对3D FPGA的热分布影响进行了理论分析和热仿真;提出了垂直方向通道网络非均匀分布的3D FPGA通道结构,实验表明,与给定传统FPGA互连通道结构相比,采用所提方法实现的3D FPGA设计架构能够降低76.8%的层间最高温度梯度,10.4%的层内温度梯度。
  • 图  1  均匀通道结构模型

    图  2  3D FPGA结构

    图  3  3D FPGA热阻网络模型

    图  4  3D最小网格散热分析模型

    图  5  功耗不同分布热分布对比

    图  6  热分布统计直方图

    图  7  多长度与单长度TSV热分布对比

    图  8  非均匀分布结构1

    图  9  非均匀分布结构2

    图  10  异质结构分布

    图  11  传统结构与新结构热梯度仿真结果

    表  1  两种情况的热阻值

    热阻错开放置对齐放置
    R1RTS+RGRRTS
    R2RTS+RGRRTS
    R3RTS+RGRRTS
    R4RAMRAM
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    表  2  封装材料设置

    部件材料尺寸
    切片Si8 mm×6 mm
    TSVCu直径:20 μm,高度:50 μm
    Micro-Bump (微凸块)Cu高度:20 μm
    Ceramic substrate (陶瓷衬底)氧化铝30 mm×30 mm
    BGA solder ball (BGA焊球)Sn63/Pb37直径:0.6 mm,中心距:1 mm
    PCB motherboard (PCB板)FR430 mm×30 mm
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    表  3  新结构热分析统计结果

    最低温度(°C)最高温度(°C)平均温度(°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
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    表  4  层间热梯度改善情况

    最低温度梯度
    (°C)
    最高温度梯度
    (°C)
    平均温度梯度
    (°C)
    传统结构1.46010.48240.6717
    新结构1.45360.11170.5569
    改善比例(%)0.476.817.1
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    表  5  层内热梯度改善情况

    切片1切片2切片3切片4
    传统结构温度差(°C)4.21123.69693.36473.2335
    新结构温度差(°C)4.23953.49603.11082.8976
    改善比例(%)–0.605.407.5010.40
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    表  6  与其它方法的对比

    方法层数架构改进措施改进效果
    文献[5]5层岛结构通过热驱动的布局布线功耗减少34%
    文献[15]2层树结构通过在热点增加2%的TSV用于散热热梯度降低57%
    本文4层岛结构调整信号TSV,不增加TSV个数与总长度热梯度降低18.12%
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-10
  • 修回日期:  2019-03-18
  • 网络出版日期:  2019-04-13
  • 刊出日期:  2019-10-01

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