Nouvelle approche pour la gestion thermique du SiP

Touati, Djallel Eddine (2025). Nouvelle approche pour la gestion thermique du SiP. Thèse. Gatineau, Université du Québec en Outaouais, Département d'informatique et d'ingénierie, 150 p.

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Résumé

Récemment, on assiste à une tendance d'intégration très élevée des systèmes sur puce (System in Package, SiP) avec la miniaturisation de la taille de puce, ce qui provoque une augmentation de la densité de puissance dissipée par unité de surface, et à son tour cause une augmentation de la température de systèmes. Les systèmes sur la même puce sont de différentes propriétés électriques et fréquences de fonctionnement, donc la puissance dissipée par chaque sous-système intégré est différente, ce qui entrainent des gradients thermiques sur la même puce. Le fonctionnement des systèmes sur puce sous des températures très élevées et avec un changement de gradients de température rapide et abrupt impose de nombreux effets indésirables et nuisibles, dont on cite : la dégradation des performances, un système de refroidissement couteux, La détérioration de fiabilité menant à la défaillance et à l'endommagement de système ou à sa vieillesse avancée se produit si le système de gestion de température est inadéquat et inapproprié. En conséquence, la gestion et le profilage thermique deviennent cruciaux et nécessaires dans les différentes phases de conception de SiP. En effet, les systèmes de gestion thermique se basent sur les modèles thermiques et les systèmes de monitorage thermique, et agissent suivant une température de seuil prédéfinie, d'où vient l'importance d'avoir des modèles thermiques et de monitorage thermique précis. Malheureusement, les travaux traitant des aspects thermiques dans les SiP ont leurs limitations en termes de précision et de coût de développement.
La modélisation thermique est une méthode utilisée par les concepteurs pour prévoir la température dans les premières étapes de design. La majorité des travaux de modélisation et de simulation de comportement thermique dans les SiP s'intéressent au régime permanent pour prédire la température de fonctionnement et ne prennent pas en considération la non-idéalité de distribution et propagation de chaleur pour calculer les paramètres thermiques du modèle. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle thermique original qui peut prévoir la température de jonction et la distribution de chaleur dans différents emplacements critiques dans les SiP. Le modèle thermique proposé combine la méthode d'analyse par éléments finits et les circuits thermiques équivalents, prend en considération l'effet de couplage thermique et extrait les paramètres thermiques à partir des résultats de simulation en exploitant la méthode d'interpolation de courbes. Le modèle thermique proposé s'avère important pour les concepteurs de système intégré pour précisément prévoir la température dans des points critiques de système ainsi que pour guider le ‘’floor-plan’’ plan de placement sur le dé, pour limiter notamment le nombre de pics thermiques.
Bien que la modélisation thermique soit importante et décisive pour la conception des SiP, elle n'est pas suffisante, vu que la consommation de puissance et la chaleur engendrée au sein de la puce dépendent fortement des tâches à exécuter et également des propriétés thermiques des matériaux qui constituent le système, qui changent au fil des jours. Donc, il y a un besoin vital de monitorage de température en temps réel lors du fonctionnement de systèmes. D'où vient l'importance du monitorage thermique des systèmes de grande taille en temps réel lors de son fonctionnement. Dans cette perspective vient le deuxième objectif de notre thèse. En effet, plusieurs auteurs ont essayé de résoudre le problème de pic thermique en proposant des algorithmes prometteurs basés sur la technique dite GDS (Gradient Direction Sensors). Mais dans ces travaux, les auteurs ont traité le problème d'une seule source de chaleur, ne discutent pas la relation entre la source de température et la distance idéale entre cette dernière et les capteurs permettant des mesures thermiques précises, et si la distance est une fonction de la valeur de température de la source de chaleur ; donc ces algorithmes manquent de précision et ne résolvent pas le problème dans le cas de plusieurs sources [13-19]. Le travail qui va traiter le problème de multi-sources de chaleur présente quatre grands défis. Premièrement, le nombre élevé de capteurs de température nécessaire pour détecter approximativement l'emplacement des sources.
Deuxièmement, la nécessité de préciser des disponibilités des ressources pour insérer les capteurs thermiques. Troisièmement, le travail doit discuter de la distance entre les cellules de capteurs de température qui peut précisément déterminer la température de source et son emplacement. En effet, dans ce sens, le deuxième objectif de cette thèse est de surmonter les inconvénients des techniques de détection de pic thermique dans le cas de multi-sources de chaleur en proposant une technique basée sur le suivi de gradient thermique sur la totalité de la surface de puce et d’appliquer la GDS pour localiser exactement la source de chaleur et mesurer précisément sa température. À cet fin, nous allons concevoir et développer une solution algorithmique permettant ainsi le monitorage en temps réel de la température. Alors, dans la première étape, on va proposer un algorithme qui fait le balayage thermique pour poursuivre la source de chaleur. Lors de la détection de points dont la température est au maximum sur la puce, on applique la technique GDS pour localiser le pic et estimer précisément sa température. Dans la deuxième étape, on va valider la technique proposée sur un prototype sur un FPGA. L'avantage de notre technique est de réduire l'intervalle de temps pour la détection de pic thermique dans le cas de multi-sources de chaleur et de réduire également le cout en minimisant le nombre de capteurs requis pour la détection et l'estimation de pic.

System-in-Package (SiP) enables innovative solutions for microsystems assemblies. Compared to monolithic ASICs, it can offer several advantages, such as shorter time to market and lower cost through heterogeneous integration. Their features make them suitable for applications requiring small modules integrating mixed-signal circuits and passive devices. They are appealing for integrating versatile sensor and interface applications. However, due to the high level of integration offered by SiP, which may imply stacking dies and layers comprising heterogeneous materials, issues may arise when the various parts of a SiP have different coefficients of thermal expansion. This may induce critical thermo-mechanical stress. Thermo-mechanical issues can degrade SiP reliability, lead to module failures, and shorten system lifetime in the absence of proper thermal management and reliability analysis.
The reliability and lifetime of systems-on-chip (SiPs) are being seriously threatened by thermal issues. In modern SiPs, dynamic thermal management (DTM) uses the thermal data captured by thermal sensors to constantly track the hot spots and thermal peak locations in real time. Estimating peak temperatures and the location of these peaks can play a crucial role for DTM systems, as temperature underestimation can cause SiPs to fail and have a shortened lifetime. To tackle the thermal challenges associated with SiP implementation, designers commonly use thermal-aware floorplanning techniques to reduce thermal peaks and equally distribute temperature across a die. Many researchers in the field of thermal design combine thermal-network-based methods and Finite Element Analysis (FEA)-based methods to benefit from the advantages of these two methods. The combination of methods is widely used. It allows for effective prediction of the temperature distribution in complex structure geometry.
Existing models cannot predict inter-layer temperatures, only accept simplified boundary conditions, and are limited to modeling steady-state conditions. By contrast, modeling the transient heat transfer response is critical to avoid detrimental thermal peaks. Therefore, when studying reliability, a fast and accurate transient thermal model for 3D SiPs that predicts temperatures in junction and critical layers such as solder bumps and joints is required. These features are vital for thermal management and reliability analysis tools. To solve these problems, a method is proposed to develop SiP’s thermal networks that takes into consideration the heat transfer between layers and the boundary conditions and that accurately predicts the temperatures of all layers of interest in an acceptable time. The models obtained from that modeling method permit effective thermo-mechanical analysis of packages, and time-efficient transient analysis is proposed to detect localized stress that could arise in complex multi-layer structures.
Given the harmful impact of hot spots and the variations in their values and locations, a number of thermal sensor allocation approaches that use integrated thermal sensors have been presented for measuring runtime thermal behavior and then assisting DTM systems. From this perspective comes the second objective of the thesis. Actually, the gradient direction sensor (GDS) technique was used to detect overheating spots on FPGAs; however, the authors did not address the problem of multiple overheating spots and did not discuss the influence of technique parameters on accuracy and sensor number. To overcome the aforementioned limitations, we propose in this study a hybrid sensor allocation algorithm based on the GDS and thermal gradient tracker (TGT) techniques. The TGT approach recursively eliminates all regions with no thermal peaks and tracks the locations of thermal peaks.

Type de document:	Thèse (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse:	Lakhssassi, Ahmed
Départements et école, unités de recherche et services:	Informatique et ingénierie
Date de dépôt:	11 mars 2025 14:14
Dernière modification:	11 mars 2025 14:14
URI:	https://di.uqo.ca/id/eprint/1756

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