（原標題：越來越「熱」的芯片，如何降溫？）
前言
2024年，AI的「狂飆突進」勢頭不減，繼ChatGPT之後，文生視頻大模型 Sora 的推出更是讓人們看到AI的無限可能。然而，隨之而來的能耗問題也不容忽視。國際能源署（IEA）《Electricity 2024——Analysis and forecast to 2026E》的報告，ChatGPT每響應一個請求需要消耗2.9瓦時，這相當於一個5瓦的LED燈泡亮35分鐘。考慮到每天90億次搜索，這將在一年內額外消耗近10太瓦時的電力，相當於一座小型核電站一年的發電量。而這些能源消耗的「罪魁禍首」之一，就是支撐AI運行的芯片。爲了保證芯片的高效運行，龐大的數據中心往往需要消耗大量的電力進行冷卻。根據IEA的報告，數據中心的電力需求主要來自計算和冷卻兩個方面，兩者各佔總電力需求的40%左右。預計到2026年，全球數據中心、加密貨幣和人工智能的電力消耗將在620至1,050 TWh之間變動。
來源：IEA《Electricity 2024 - Analysis and forecast to 2026》
近年來，爲了滿足5G、AI、汽車電子等新興市場不斷增長的算力需求，芯片的集成度不斷提高，相應的功耗也隨之增加。功耗增加會產品熱量，當熱度達到一定程度，芯片輕則宕機，重則損毀。一個直觀的生活案例，這就好比我們的手機，過熱會直接死機。因此芯片散熱已是當今工程師的「必修課」。但爲了滿足便攜性和美觀性需求，電子設備的尺寸又必須不斷減小，這就導致給散熱系統留下的空間愈發有限。如何高效散熱，已成爲整個行業亟待解決的關鍵問題。
電子系統散熱：日益嚴峻的挑戰
隨着芯片製程的不斷微縮，大大加劇了散熱困境。按照傳統散熱經驗，芯片的散熱密度存在物理極限，每平方毫米芯片的散熱能力約爲 1 瓦。目前行業內的發展趨勢是，進入 10 納米以下，英特爾和 AMD 等芯片巨頭紛紛採用均熱片來解決發熱問題。3 納米和 2 納米甚至是埃米時代的來臨，散熱將是頭等大事。
在人工智能浪潮的推動下，下一代 AI 芯片，其功耗甚至超過 1 千瓦。面對如此高功耗，液冷技術成爲必要的降溫選擇。然而，設備越熱，其冷卻成本也隨之增加。CDCC 的統計數據顯示，數據中心的製冷系統在資本支出（CAPEX）中佔 20-25%，在運營支出（OPEX）中的電力成本更是佔了 40%。
功耗曾經被視爲軟性指標，但現在已成爲芯片設計中的重要考量因素。過高的熱量帶來的不良影響不容忽視：
性能下降：過高的溫度會導致芯片性能下降，甚至出現死機、藍屏等故障。
可靠性降低：高溫會加速電子元件的老化，縮短設備的使用壽命。
安全性隱患：極端情況下，過熱可能引發火災等安全事故。
能源浪費：過多的電力消耗不僅增加了運營成本，還加劇了能源危機。
熱量不僅會影響單個電子元件的性能，還會對整個電子系統的可靠性造成威脅。以現代汽車爲例，在汽車電動化、智能化和網聯化的發展趨勢下，車內集成了成百上千個電子元件，這些元件之間相互作用產生的熱量和振動，會形成複雜的熱應力和機械應力場，影響設備的穩定性和可靠性。
面對日益嚴峻的散熱挑戰，以及對芯片性能提升的孜孜以求，如何在保證芯片性能的前提下，有效解決散熱問題，是擺在業界面前的一項緊迫任務。
從 EDA 的角度來看，要實現精準的熱分析面臨着諸多挑戰。首先，熱量在芯片內的傳播路徑複雜多樣，需要考慮不同材料的熱導率、界面熱阻等因素。其次，對於 3D-IC 等先進封裝技術，需要考慮不同層次之間的熱傳導和散熱路徑，這增加了分析的複雜性和計算的負擔。此外，由於熱仿真的精度要求高，需要考慮如何在保證計算效率的同時，不影響分析結果的準確性。
然而，當前市場上的熱分析工具往往是零散的且功能單一，工程師需要同時使用多個不同的軟件和方法來完成散熱設計，這增加了工程開發週期和成本，同時降低了設計的效率和一致性。傳統的電子散熱設計和分析工具已顯得力不從心。
因此，電子行業亟需要創新的方法和工具來爲芯片「降溫」。這種解決方案應具備以下特點：
早期評估：在設計初期就對熱解決方案進行評估，積極利用數字孿生等創新技術，避免後期返工。通過採用「左移」開發策略，即在設計早期引入熱分析，我們可以更早地發現並解決潛在的熱問題，從而提高產品的可靠性。
全局入手：將整個電子系統作爲一個整體進行熱分析，考慮各組件之間的相互作用。
統一平台：提供一個集成的設計環境，涵蓋熱仿真、流體仿真等多種分析功能。
Cadence Celsius Studio：
開啓散熱設計新時代
今年初，Cadence 以其一貫的創新精神，推出了一款真正的系統級熱分析工具——Cadence Celsius Studio，它結合有限元分析（FEA）與計算流體力學（CFD）技術，爲電子行業日益嚴峻的散熱問題提供了一套全面的解決方案。作爲業界首個將 AI 技術與熱設計深度融合的綜合性平台，Celsius Studio 打破了傳統熱分析工具的侷限，將電熱協同仿真、電子元件冷卻和熱應力分析整合到一個綜合的平台，引領電子系統熱設計邁向一個全新的智能化時代。
Cadence Celsius Studio 實現了多項突破：
（一）真正的熱系統分析：在 Cadence Celsius Studio 中，熱和應力的建模是通過有限元分析（FEA）來完成的，通過精細到粗略的網格設計，可以滿足廣泛的精度需求。在 Cadence Celsius EC Solver 中，工程師可以通過建模對流和/或主動冷卻（如風扇等），來實現散熱分析。
（二）AI 驅動，實現設計優化：當今的高性能電子系統要求設計人員考慮 SI、PI 和熱完整性以及電磁干擾和兼容性（EMI/EMC）等問題，多物理場分析變得至關重要。Celsius Studio 中所搭載的 Cadence Optimality Intelligent System Explorer，是一款 AI 驅動的多物理場優化軟件，它突破了傳統人力密集型優化流程的限制，用 AI 驅動的技術取代了傳統的設計-測試-優化循環的交互流程，可對整個設計空間進行快速高效的探索，鎖定理想設計。
人工智能技術的引入，爲電子設計自動化帶來了革命性的變革。Celsius Studio 不僅能幫助工程師在設計早期階段發現熱問題，還可提供分析和設計洞察，預測潛在的熱問題，並提供智能化的優化建議，儘可能減少機械工程團隊的後期設計迭代，縮短電子系統的開發迭代週期。Celsius Studio 專爲大規模並行執行而設計，經過生產驗證，其可在不犧牲精度的前提下，與手動、詳盡、強力的參數表研究相比，生產力平均提高 10 倍。
計算流體動力學（CFD）是多物理系統分析的一個方面，它使用數值模型模擬流體的行爲及其熱力學特性。
（三）打通電氣工程師和機械工程師的「鴻溝」：隨着 PCB 機械外殼尺寸日益減小以及 PCB 本身複雜性的增加，電氣和機械工程師之間的協作對於芯片和系統的熱分析和優化愈發重要。從電路板的輪廓到最終佈局和佈線，雙方必須掌握相同的信息，彼此同步進行，並消除過程中的冗餘。
爲了進行這種分析，ECAD（電子計算輔助設計）+ MCAD（機械計輔助設計）的協作必不可少。MCAD 和 ECAD 之間的無縫集成曾經是導致分析速度慢的主要障礙之一。在 Celsius Studio 中，Cadence 內部的專家簡化了 MCAD 和 ECAD 模型的導入過程，將之前幾天的工作量大大縮短到幾乎無感知的時間，使得電路板和機架內的熱、應力和冷卻分析變得更加高效和簡便。
Celsius Studio 平台既面向電氣工程師，也可以滿足機械工程師的需求。對於電氣工程師，Celsius Thermal Solver 可進行芯片/SoC 性能/熱分析、封裝和 PCB 的電熱協同仿真，以及在兼顧熱影響的同時進行封裝/PCB 的元件擺放。對於熱工程師，Celsius Electronics Cooling 提供了電子元件冷卻散熱分析，可通過添加散熱器、風扇、通風口來緩解潛在的熱問題。
（四）多平台無縫集成，衆人拾柴火焰高：Celsius Studio 的強大之處在於，可以與 Cadence 的多種實現平台無縫集成，包括 Allegro X Design Platform（用於電路板設計）、AWR Design Environment（用於微波 IC）、Virtuoso System Design Platform（用於定製/模擬電路）和 Innovus Implementation System（用於數字電路），芯片散熱是一個複雜的工程性問題。Cadence 正在集結過往幾十年的經驗，將更多的工具整合在一起，助力熱分析更加便捷。
這些多工具的見解可指導電源整體熱和應力分析以及熱量減少策略、佈局優化以及熱通孔和溫度傳感器佈局，讓電氣和機械/熱工程師可以在同一個環境中對設計裝配流程執行多階段分析，解決單個封裝上多晶粒堆疊的 3D-IC 翹曲問題，無需對幾何體進行簡化或轉換。
Celsius Studio 正在成爲電子行業解決熱設計難題的首選工具，幫助企業提高產品競爭力，加速產品創新。
通過採用 Celsius Studio，三星半導體在設計早期階段即獲得了準確的熱分析結果，顯著提升了 3D-IC 和 2.5D 封裝的設計效率，將產品開發週期縮短了 30%。
BAE Systems 利用 Celsius Studio 在 MMIC 設計週期內實現了快速、準確的熱分析，大幅提升了 RF 和熱功率放大器的性能。
Celsius Studio 幫助 Chipletz 的設計團隊能夠及早獲取詳細信息，解決散熱問題，並顯著縮短了週轉時間。在 Chipletz 工程團隊開發複雜設計時，能夠多次高效且詳細地運行 3D-IC 和 2.5D 封裝的熱仿真。
總的來說，Cadence 的 Celsius Studio 爲芯片、封裝、電路板和終端系統提供全方位的熱分析和優化提供了一種獨闢蹊徑的做法。
結語
Cadence Celsius Studio 的推出，爲當今電子行業的發展帶來了全新的機遇。通過將人工智能與傳統仿真技術相結合，Celsius Studio 將幫助工程師克服日益嚴峻的散熱挑戰，加速創新產品的上市。通過提供精確的熱仿真和高效的設計優化功能，Celsius Studio 將成爲電子工程師的得力助手，助力他們設計出更高性能、更可靠的電子產品。
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