Méthodes de calcul numérique pour la simulation thermique des circuits intégrés

La simulation thermique des circuits intégrés est aujourd'hui incontournable afin de prévenir les problèmes de dissipation thermique. Les circuits intégrés modernes exhibent une densité de puissance très élevée, pouvant conduire à une température excessive, dégradant les performances du circuit et réduisant sa durée de vie. Depuis leur invention en 1958, les circuits intégrés ont subi une évolution spectaculaire. La miniaturisation des composants, l'émergence des technologies tridimensionnelles et l'introduction de systèmes de refroidissement à base de liquide nécessitent de résoudre des problèmes thermiques très complexes. Les méthodes numériques fournissent un outil de simulation puissant, mais aussi très coûteux en calcul. Les simulateurs thermiques existants basés sur les méthodes numériques requièrent un temps d'exécution très long et une consommation de mémoire très importante. Ces inconvénients majeurs ralentissent considérablement la conception des circuits intégrés ou contraint à choisir des solutions thermiques non optimales. Cette thèse propose deux méthodes de calcul numérique originales pour accélérer la simulation thermique des circuits intégrés. La première méthode est destinée à la simulation du régime transitoire, tandis que la deuxième méthode cible le régime permanent. Les méthodes de calcul proposées combinent des algorithmes puissants tels que la décomposition des opérateurs, les méthodes de projection et la décomposition de domaine. Les méthodes de calcul proposées sont évaluées sur des problèmes thermiques réalistes et variés, en étant comparés à des méthodes de calcul classiques bien éprouvées. La méthodologie utilisée pour modéliser le comportement thermique des circuits intégrés est validée en comparant les résultats obtenus par simulation à des mesures thermiques effectuées sur un circuit physique réel. Dans le cadre de cette thèse, un simulateur thermique pour circuits intégrés, appelé ICTherm a été développé. Ce logiciel implémente les méthodes de calcul proposées dans cette thèse pour simuler le régime transitoire et le régime permanent. Le logiciel ICTherm est actuellement utilisé en milieu universitaire pour des projets de recherche.

Abstract

Since their introduction in 1958, integrated circuits have gone through a spectacular evolution. The transistor miniaturization, the emergence of tridimensional technologies have caused an explosion in complexity. In addition, modern integrated circuits generate very high heat fluxes that can lead to a high temperature, degrading the performance and reducing the lifetime of the device. The thermal simulation of integrated circuits is extensively used to prevent this kind of heat dissipation issues, but its application is becoming increasingly difficult with the growing complexity of chip designs. Numerical methods offer a powerful tool for the thermal simulation of integrated circuits. However, their high computation cost leads to long simulation times and to a vast memory usage, slowing down the design process or constraining the designer to unoptimized solutions. This thesis presents two highly-efficient methods for the thermal simulation of integrated circuits, for both transient and steady-state thermal problems. The proposed methods combine powerful algorithms, such as operator splitting, sub-space projection, and domain decomposition. We evaluated the proposed techniques on a variety of representative thermal problems. Our results show up to an order of magnitude improvement in simulation speed when compared against well established methods for the same level of accuracy. We have also validated our approach by comparing simulation results with the temperature measured on a physical device via infrared thermography, achieving an error smaller than 6%. In addition, we developed a thermal simulator for integrated circuits called ICTherm, implementing the methods proposed in this thesis. ICTherm can be used to simulate the transient and steady-state behaviour of arbitrary integrated circuits, and it is currently used for research by several universities.