基于热电效应的半导体设备动态热管理方法及设备技术

本发明专利技术提供了基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法及设备，主要利用基于热电效应的热电制冷器件主动控制半导体设备的热斜率进行降温，当半导体设备的当前热斜率大于固定斜率阈值，启动参数计算电路，进行优化计算，获得热电制冷器件的工作电流或工作电压，并利用动态热管理电路启动热电制冷器件及时对半导体设备进行降温，控制其热斜率达到甚至低于固定斜率阈值。本发明专利技术在保持甚至提升半导体设备原有功率的前提下，实现了半导体设备的动态热管理，使得半导体设备可以在更长的时间内维持高功率工作状态，为高重频半导体设备高性能工作状态下的热管理提供了一种新思路，同时该方法能够对局部热点提供精准、实时地冷却，可靠性高、适用性强。适用性强。适用性强。

【技术实现步骤摘要】
基于热电效应的半导体设备动态热管理方法及设备


[0001]本专利技术属于半导体设备热管理
，尤其涉及基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法及设备。

技术介绍

[0002]随着高重频半导体设备逐渐向小型化和高封装密度的方向发展，设备的功率密度不断增加，过高的功率将导致半导体设备的峰值温度过高，进一步导致热泄漏功率的增加以及触发热故障失效情况的增多，进而缩短半导体电子设备的寿命。因此有必要对半导体设备进行热管理，及时去除设备产生的热量，对于提高半导体电子设备的寿命而言意义重大。
[0003]目前，先进的热管理方式主要包括以均热板、热管、石墨烯、碳纳米管和金刚石衬底导热为代表的被动散热技术以及以微流道和冲击射流为代表的主动散热技术。但是，这些散热技术的基本原理都是以降低设备的平均温度来达到热管理的目的，且存在冷却不均、成本较高、可靠性低、体积庞大等局限性，难以向时间尺度远小于器件/组件热时间常数的局域热点提供瞬态和实时冷却。以微流道散热技术为例进行说明，受限于冷却流体状态、封装密封工艺和绝缘耐压等因素，微流道散热技术更多的是进行芯片或组件的远程冷却，其无法满足芯片或组件的瞬时近结点热输运需求，特别地，在高重复频率条件下，半导体设备产生的热量与芯片或组件的时钟频率和操作电压等参数有关，芯片或组件内部发生的有限大小的热扰动穿过一定厚度的固体层扩散到微流道位置需要一定的时间(大于芯片或组件热时间常数)，因此导致芯片或组件瞬时产生的热量无法及时散出，进一步产生局部高温，形成巨大的温度梯度，从而引起由热应力波动引发的热疲劳失效问题。
[0004]目前也有热节流、动态电压和频率缩放或线程/活动迁移(thread/activity migration)等动态热管理策略/方法被开发用于控制设备过热，当设备达到给定的温度阈值时，设备通过调整操作参数，减小功率来实现降温的目的，比如降低设备的操作电压或者操作频率，然而设备的操作电压以及操作频率等参数与设备的性能密切相关，因此，当降低设备的操作电压和操作频率可能导致设备的性能遭受划一性的骤降，尤其是实时响应的交互式移动设备最为明显。当遇到温度突然上升然后又迅速下降的情况时，会触发设备不必要的限制动作，故现有的热节流、动态电压和频率缩放或线程/活动迁移(thread/activity migration)等动态热管理策略/方法主要是通过牺牲设备性能而达到热管理的目的。
[0005]因此，需要一种可实现高重复频率半导体设备高性能工作状态的改进动态热管理方法。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法及设备，该方法和设备利用热电制冷器件进行设备热斜率主动控制，可以在更长的时间内维持半导体设备的高功率工作状态，并显著提高设备性能，甚至根据需求有意地将设备关键进程的
功率提高到的标称限制之上，提升设备的瞬态性能。
[0007]为达此目标，本专利技术采用以下技术方案：一种基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法，所述方法包括：
[0008]S1：通过温度测量部件获取待监测半导体设备热源的当前采样温度；
[0009]S2：基于当前采样温度以及存储的之前的采样温度计算当前热斜率；
[0010]S3：判断当前热斜率是否大于预定义的固定热斜率阈值，若是，则执行步骤S4，若不是则执行步骤S1；
[0011]S4：建立热电制冷器件参数与待测半导体设备的工作参数之间的热模型，并以固定斜率阈值为优化目标，利用目标优化算法对热模型进行最优计算，计算获得热电制冷器件的最佳工作电流或者电压以及待监测半导体设备的最优参数；
[0012]S5：根据步骤S4计算的最佳工作电流或者工作电压启用热电制冷器件工作；并根据步骤S4计算的待监测半导体设备的最优参数，调整待监测半导体设备，使待监测半导体设备保持在原有功率预算工作或比原有功率预算更高的情况下工作；
[0013]S6：重复上述步骤S1～S5，直至半导体设备不需要进行动态热管理后停止。
[0014]优选的，所述步骤S3中的固定斜率阈值小于基于半导体设备的最高允许温度计算的热斜率值。
[0015]优选的，所述热电制冷器件是基于珀尔帖热电效应的固态热泵，热电制冷器件与待测半导体设备的热源一体集成。
[0016]优选的，所述热电制冷器件为厚度为100μm～10mm的块体热电模块或者厚度为1nm～100μm的微型热电制冷薄膜。
[0017]优选的，所述步骤S4中的热模型包括至少一个热源和至少两个热阻。
[0018]优选的，所述半导体设备热源为芯片或者模组。
[0019]优选的，所述待监测半导体设备的最优参数为待测半导体设备的最优时钟频率或最优操作电压或最优操作核数目。
[0020]一种基于热电效应的半导体设备的动态热管理设备，所述设备用于实现上述基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法，所述设备包括：温度传感器、温度读出电路、缓冲器、热斜率计算电路、触发检测器、参数计算电路、热电制冷器件和动态热管理电路，所述温度传感器、温度读出电路、缓冲器、热斜率计算电路、触发检测器、参数计算电路、热电制冷器件和动态热管理电路按顺序依次连接。
[0021]优选的，所述参数计算电路以固定斜率阈值为目标，利用目标优化算法对热模型进行最优计算，计算获得热电制冷器件的最佳工作电流或者电压以及待监测半导体设备的最优参数。
[0022]优选的，所述动态热管理电路基于参数计算电路计算的热电制冷器件的最佳工作电流或者电压调用热电制冷器件启动待监测半导体设备热源的动态热管理，并保持待监测半导体设备原有功率或基于最佳功率预算提升设备原有功率。
[0023]本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法及设备，主要利用基于热电效应的热电制冷器件主动控制半导体设备的热斜率进行降温，当半导体设备的当前热斜率大于固定斜率阈值，启动参数计算电路，进行优化计算，获得热电制冷器件的工作电流或工作电压，并利用动态热管理电路启动热电制冷器件及时对
半导体设备进行降温，控制其热斜率达到甚至低于固定斜率阈值，这样就可以保证半导体设备仍然工作在原有功率而不降低半导体设备的性能，甚至根据热电制冷器件降温的余量，可以提高半导体设备的原有功率，使半导体设备工作在更高的性能下；此之外本专利技术中的热电制冷器件可以与半导体设备的热源一体集成，能够及时对热源进行制冷，可以对局部热点提供瞬态和实时冷却，可靠性高、适用性强且成本较低。
[0024]因此，本专利技术利用热电制冷器件进行半导体设备的热斜率主动控制，在保持甚至提升半导体设备原有功率的前提下，实现了半导体设备的动态热管理，使得半导体设备可以在更长的时间内维持高功率工作状态，为高重频半导体设备高性能工作状态下的热管理提供了一种新思路，同时该方法及设备能够对局部热点提供精准地、实时地冷却，可靠性高、适用性强。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中基于热电效应的半本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法，其特征在于，所述方法包括：S1：通过温度测量部件获取待监测半导体设备热源的当前采样温度；S2：基于当前采样温度以及存储的之前的采样温度计算当前热斜率；S3：判断当前热斜率是否大于预定义的固定热斜率阈值，若是，则执行步骤S4，若不是则执行步骤S1；S4：建立热电制冷器件参数与待测半导体设备的工作参数之间的热模型，并以固定斜率阈值为优化目标，利用目标优化算法对热模型进行最优计算，计算获得热电制冷器件的最佳工作电流或者电压以及待监测半导体设备的最优参数；S5：根据步骤S4计算的最佳工作电流或者工作电压启用热电制冷器件工作；并根据步骤S4计算的待监测半导体设备的最优参数，调整待监测半导体设备，使待监测半导体设备保持在原有功率预算工作或比原有功率预算更高的情况下工作；S6：重复上述步骤S1～S5，直至半导体设备不需要进行动态热管理后停止。2.根据权利要求1所述的基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法，其特征在于，所述步骤S3中的固定斜率阈值小于基于半导体设备的最高允许温度计算的热斜率值。3.根据权利要求1所述的基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法，其特征在于，所述热电制冷器件是基于珀尔帖热电效应的固态热泵，热电制冷器件与待测半导体设备的热源一体集成。4.根据权利要求3所述的基于热电效应的半导体设备的动态热管理方法，其特征在于，所述热电制冷器件为厚度为100μm～10mm的块体热电模块或者厚度为1nm～100μm的微型热电制冷薄膜。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚廷睿，李良辉，李俊焘，高磊，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：