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0 引言

为了在芯片设计开始时对整体设计进行更好的热性能评估，本文在热建模和热模拟工具软件的帮助下，整合了一套完整的芯片热模拟过程。

1 原理

1.1 软件原理

开源软件需要热建模和热仿真芯片HotSpot[1]以及GEM5[2]，McPAT[3]。图1可以描述三个软件之间的关系。

HotSpot它是一种适用于计算机系统结构研究、准确、快速的热建模软件。它基于微架构模块和热封装对应的电阻和电容等效电路进行模拟迭代。该工具基于有限元模拟的解决原理，可以得到设计芯片的系统结构模型。该模型可以输入power对稳态和瞬态进行热仿真，得到芯片某一时刻温度数据的输出。

GEM5.模块化离散事件驱动全系统模拟器，可在模拟加载的系统镜像中运行应用程序，输出相应的统计数据。

McPAT它是一个可以连接到功耗、面积和时间建模的框架GEM以后计算输出统计数据power作为模拟实际应用运行状态的功耗数据。

最后，McPAT输出的power作为功率数据输入数据HotSpot在生成的功率模型中，有效地结合了三个工具。整个过程可以有效地模拟芯片模型，检测芯片系统结构的性能特性和热特性，并类似于芯片Turbo Boost[4]热管理提供模型支持。

1.2 芯片架构

近几十年来，随着各种新材料、新技术的出现，芯片上晶体管的数量不断增加。

为了获得更好的性能，提出了更多的芯片系统结构，但随着芯片的性能不断被挤压。近年来，专家提出了多核结构和三维结构。然而，多核结构[5]和三维结构[6]在工业设计中仍存在一定的困难，主要原因是芯片难以解决的散热问题[7]。

传统的芯片结构包括包装和散热模块[8]。

多核结构是硅片上的二维结构，三维芯片是多个二维结构的堆叠。

其中，core.flp用坐标和宽高定义芯片中的每个模块来定义需要模拟的芯片结构。在三维芯片中，ic.lcf定义了二维芯片之间的堆叠关系，例如。并在瞬态温度曲线的第三秒显示整个芯片温度分布图。

(a)二维多核结构的瞬态温度曲线

(b)二维多核结构(3) s)芯片温度分布图

图4 二维多核结构的输出结果

3.2 三维多核结构

同样，在三维多核结构中，每个核输入功耗后使用HotSpot它可以模拟每个核心的温度变化曲线。并显示第3条瞬态温度曲线 s整个芯片温度分布图，。

(a)三维多核结构的瞬态温度曲线

(b)三维多核结构(3) s)芯片温度分布图

图5 二维多核结构的输出结果

从实验结果中可以得出结论，本文的模拟平台可以通过瞬态温度数据和任何时刻的温度，有效地模拟二维多核结构芯片和三维多核结构芯片Integra代理根据分布结果，研究人员可以在设计初期合理规划热模块的位置，并在后期芯片中添加适当的管理程序，有效提高系统性能，降低热风险。

4 结语

随着芯片向多核芯片和三维结构芯片的发展，芯片中的热问题越来越严重。因此，在设计初期，借助计算机辅助设计进行热仿真，可以有效避免最终电路设计失败。本文完整搭建了芯片的计算机辅助设计热仿真平台，利用该平台完成了二维多核芯片和三维多核芯片的热建模和热仿真。本文建立的热模拟过程可以调整芯片的设计布局，降低芯片工作时的整体平均温度，有效解决芯片中热密度过高的问题，通过模型热管理最大化系统性能。热仿真平台在指导芯片设计和芯片热管理研究方面具有重要意义。

参考文献：

[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] 张明.众核芯片热建模与功耗管理技术研究[D].成都：2016年电子科技大学.

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

(本文来源《IC2020年9月，代理杂志