Accelerating Thermal Simulations of 3D ICs with Liquid Cooling using Neural Networks

Vertical integration is a promising solution to further increase the performance of future ICs, but such 3D ICs present complex thermal issues that cannot be solved by conventional cooling techniques. Interlayer liquid cooling has been proposed to extract the heat accumulated within the chip. However, the development of liquid-cooled 3D ICs strongly relies on the availability of accurate and fast thermal models. In this work, we present a novel thermal model for 3D ICs with interlayer liquid cooling that exploits the neural network theory. Neural Networks can be trained to mimic with high accuracy the thermal behaviour of 3D ICs and their implementation can efficiently exploit the massive computational power of modern parallel architectures such as graphic processing units. We have designed an ad-hoc Neural Network model based on pertinent physical considerations of how heat propagates in 3D IC architectures, as well as exploring the most optimal configuration of the model to improve the simulation speed without undermining accuracy. We have assessed the accuracy and run-time speed-ups of the proposed model against a 3D IC simulator based on compact model. We show that the proposed thermal simulator achieves speed-ups up to 106x for 3D ICs with liquid cooling while preserving the maximum absolute error lower than 1.0 degrees C

3D-ICE: a Compact Thermal Model for Early-Stage Design of Liquid-Cooled ICs

Liquid-cooling using microchannel heat sinks etched on silicon dies is seen as a promising solution to the rising heat fluxes in two-dimensional and stacked three-dimensional integrated circuits. Development of such devices requires accurate and fast thermal simulators suitable for early-stage design. To this end, we present 3D-ICE, a compact transient thermal model (CTTM), for liquid-cooled ICs. 3D-ICE was first advanced by incorporating the 4-resistor model based CTTM (4RM-based CTTM). It was enhanced to speed up simulations and to include complex heat sink geometries such as pin fins using the new 2 resistor model (2RM-based CTTM). In this paper, we extend the 3D-ICE model to include liquid-cooled ICs with multi-port cavities, i.e., cavities with more than one inlet and one outlet ports, and non-straight microchannels. Simulation studies using a realistic 3D multiprocessor system-on-chip (MPSoC) with a 4-port microchannel cavity highlight the impact of using 4-port cavity on temperature and also demonstrate the superior performance of 2RM-based CTTM compared to 4RM-based CTTM. We also present an extensive review of existing literature and the derivation of the 3D-ICE model, creating a comprehensive study of liquid-cooled ICs and their thermal simulation from the perspective of computer systems design. Finally, the accuracy of 3D-ICE has been evaluated against measurements from a real liquid-cooled 3D IC, which is the first such validation of a simulator of this genre. Results show strong agreement (average error<10%), demonstrating that 3D-ICE is an effective tool for early-stage thermal-aware design of liquid-cooled 2D/3D ICs

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

Méthodes de calcul numérique pour la simulation thermique des circuits intégrés

RÉSUMÉ 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