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第1章 集成电路和系统的热问题1

1.1 引起热挑战的技术发展趋势2

1.1.1 系统设计要求2

1.1.2 产品可靠性要求4

1.1.3 产品性能要求6

1.1.4 成本、用户体验和经济性要求7

1.2 芯片的发热原理8

1.2.1 高性能芯片的热响应示例10

1.2.2 芯片传热路径15

参考文献21

第2章 芯片内置温度侦测27

2.1 芯片内置温度传感器的工作条件及性能参数28

2.2 模拟型温度传感器32

2.2.1 基于热二极管的传感器32

2.2.2 电阻型传感器34

2.2.3 热电偶和热电堆35

2.2.4 其他类型温度传感器39

2.3 数字温度传感器39

2.3.1 基于MOSFET输出电压/电流的温度传感器39

2.3.2 基于延迟时间的温度传感器41

2.3.3 基于漏电流的温度传感器42

2.4 传感器前端43

2.4.1 温度传感器的Sigma-Delta ADC44

2.4.2 温度传感器的SAR ADC44

2.4.3 温度传感器的PTDC45

2.5 芯片内置温度传感器的设计挑战45

2.5.1 理想性和线性度46

2.5.2 对变化的鲁棒性47

2.5.3 温度传感器的校正49

2.6 通过系统布局提高温度测量精度52

2.6.1 通过内差法强化均匀网格54

2.6.2 非均匀网格传感器的分配与布置60

2.6.3 可编程器件的传感器分配和布局65

2.6.4 温度传感器分配和布局的最新进展68

2.7 间接温度监测70

参考文献71

第3章 动态热管理79

3.1 芯片温度传感器的接口和动态热管理系统80

3.1.1 温度传感器的偏置网络80

3.1.2 温度传感器的通信网络85

3.2 工业设计中基于温度传感器的动态功耗和热管理89

3.2.1 第一代动态热管理89

3.2.2 第二代动态热管理91

3.2.3 最新一代动态热管理93

3.3 非商业设计温度传感器的动态优化方法96

3.3.1 基于硬件设计的热管理96

3.4 基于温度传感器的内存热管理方法105

3.4.1 基于温度传感器的DRAM刷新率及写时序优化105

3.4.2 基于温度传感器的DRAM架构优化107

3.4.3 基于温度传感器的硬盘热管理107

3.5 热管理的控制系统深入探究108

3.5.1 闭环控制器108

3.5.2 随机控制112

3.5.3 模型预测控制113

参考文献114

第4章 主动冷却121

4.1 空气冷却122

4.1.1 冷却风扇的管理控制126

4.1.2 基于风扇之外的强迫空气冷却系统129

4.2 液体冷却131

4.2.1 液体冷却系统的效率和成本优化134

4.2.2 3D集成电路芯片的液体冷却136

4.2.3 直接液体冷却142

4.3 热电冷却142

4.3.1 TEC装置的工作原理及性能指标143

4.3.2 最新一代芯片内置冷却器的设计145

4.3.3 热电冷却器的理论分析框架148

4.3.4 基于TEC冷却器的IC芯片热管理150

4.4 相变冷却156

参考文献158

第5章 系统层、超级计算机以及数据中心层热事件的缓解措施169

5.1 OS层的散热缓解措施169

5.1.1 热感知技术优化171

5.2 嵌入式实时系统的OS层热管理策略184

5.3 热感知的虚拟化190

5.4 应用层在温度分布形成中的作用194

5.5 数据中心和超级计算机的热感知优化197

5.5.1 数据中心的热耗特征与性能指标197

5.5.2 系统层热感知管理的软件环境与配置200

参考文献202

第6章 热感知系统的发展趋势207

6.1 热设计时考虑客户舒适度207

6.2 集成电路的热回收技术210

6.3 芯片内置温度传感器的新材料和新设计212

6.4 硬件安全性213

参考文献213

附录 相关术语和单位216