Modélisation et simulation thermique des circuits intégrés tridimensionnels

Depuis leur apparition, les circuits intégrés connaissent une évolution exponentielle dans de nombreux axes. Les circuits intégrés tridimensionnels (3D) gagnent de l'intérêt sur le marché en raison d'une multitude d'avantages comme une taille réduite, un grand nombre de fonctionnalités, une faible consommation d'énergie et une bande passante élevée. Mais en raison de leur architecture tridimensionnelle basée sur une superposition de couches multiples dans une dimension compacte, ces circuits présentent de nouveaux défis en termes de contrôle de température. Le recours à la simulation thermique est incontournable pour permettre de prédire la température et aider le concepteur de ce type de circuit à évaluer de multiples alternatives avant la phase de fabrication. Une simulation efficace doit être précise, facile à réaliser, générique et doit prendre en compte l'aspect évolutif des circuits. Les simulateurs thermiques actuels sont couteux, gourmands en mémoire et peinent à modéliser les futurs circuits intégrés et à suivre leur évolution. Ce mémoire introduit ICTherm : un outil de simulation thermique précis, générique, code ouvert et facile à utiliser. ICTherm est basé sur un ensemble de solveurs numériques et de méthodes d'optimisation assurant une simulation efficace pour les états permanents et transitoires. Une implémentation flexible de l'approche proposée assure la portabilité du code et la facilité de la mise à jour de l'outil. Une interface utilisateur ergonomique est proposée pour permettre une représentation simple des données à saisir ainsi qu'un module de sortie graphique facilitant l'interprétation des résultats pour les utilisateurs. Un ensemble de modules et d'options est proposé pour assurer la modélisation de tout type de circuit intégré tridimensionnel. Nous avons validé l'outil ICTherm proposé à travers divers problèmes thermiques représentatifs. La précision des résultats est semblable à celle des outils commerciaux comme Comsol et nos résultats montrent la capacité de l'outil à modéliser et à simuler de futurs circuits avec de nouvelles contraintes comme les circuits optiques.

Abstract

Since their appearance, the integrated circuit experiencing an exponential evolution in many axis. The three-dimensional integrated circuits are a class of those new ICs that gain more and more interest in many market fields due to their considerable benefits as small size, big number of functionalities, low power consumption and high bandwidth. Because of this 3D architecture based on a superposition of multiple layers in a compact dimension, the 3D ICs carries new challenges in terms of design complexity, devices testing and effective temperature control. Making an efficient design of such devices require multi-discipline skills in electrical, mechanical and thermodynamic fields which constitute a big challenge for the designers. Therefore new, efficient thermal modelling and simulation solutions are required. Thermal modelling and simulation of an integrated circuit aims to reproduce its thermal behaviour in order to predict its components temperature. An efficient heat transfer simulation of the circuit allows to predict the heat and help the designer to evaluate multiple alternatives while the layout and power output of the device are still subject to modifications. This work present ICTherm: an efficient, accurate, generic, open source and easy to use thermal simulation tool. ICTherm is based on a set of numerical solvers and optimization methods ensuring an efficient simulation for both steady and transient states. Flexible software implementation of the proposed approach is offered ensuring the code portability and the ease upgrade of the tool. An ergonomic user interface is proposed as a representation of the needed inputs; like circuit architecture, geometries, simulation parameters; and the thermal schema output to facilitate the use of the simulation tool and results interpretation for users. A set of modules and options are proposed to increase the ability to model any type of three-dimensional integrated circuits. We evaluated the tool on a various representative thermal problems. The accuracy of the results is similar to commercial state of art tools like Comsol and our results show up the capacity of the tool to model and simulate future circuits with new constraints like optical circuits.