ATSim3.5D:3.5D-IC 多尺度非线性热仿真器——arXiv:2601.11053 深度解读¶
arXiv:2601.11053v1 [physics.app-ph] 2026.01.16 提交 · 2026.08.08 更新 · 北京大学集成电路学院 × 无锡EDA研究所
一、论文基本信息¶
标题(原文): ATSim3.5D: A Multiscale Thermal Simulator for 3.5D-IC Systems based on Nonlinear Multigrid Method
中文译名: ATSim3.5D——基于非线性多重网格方法的 3.5D-IC 系统多尺度热仿真器
作者与机构: Qipan Wang(王琪磐,北京大学前沿交叉学科研究院/集成电路学院);Tianxiang Zhu(朱天翔);Yibo Lin(林亦波,通讯作者†);Runsheng Wang(王润声);Ru Huang(黄如)——北京大学集成电路学院 + 无锡电子设计自动化研究所(Institute of Electronic Design Automation, Wuxi)
arXiv 编号: 2601.11053v1 [physics.app-ph](应用物理学),2026 年 1 月 16 日提交,2026 年 8 月 8 日更新
资助来源: 国家自然科学基金(62125401、62034007)、北京市自然科学基金(Z230002)、Grant QYJS-2023-2303-B、北京市杰出青年科学基金(JWZQ20240101004)、111 计划(B18001)
数据来源声明: 本文全部数值与结论均来自论文公开的实验/仿真数据(arXiv:2601.11053v1),未做任何外部复现;图表数据以原文为准。论文脚注提供的代码仓库链接(github.com/Brilight/ATSim3D pub.git)截至 2026-08-08 公开渠道无法访问(404),未能独立确认,引用时以论文原文为准。
论文提出一种面向 3.5D-IC(2.5D 与 3D 集成的融合形态) 的稳态热仿真器:用混合四叉树多层网格捕捉从热沉/均热板到 TSV 的多尺度特征,用 Voigt-Reuss 等效热导率处理异质材料网格,用 FAS-MG(全近似格式多重网格)求解含非线性热导率与指数漏电功耗的传热方程——对照 ANSYS Icepak 达到平均绝对相对误差 <1%、最大误差 <2°C,平均 80 倍加速。
二、研究背景:3.5D-IC 的多尺度非线性热仿真困境¶
2.1 什么是 3.5D-IC¶
3.5D-IC 是 2.5D 与 3D 集成的融合形态:在 interposer(转接层)上布置多个 chiplet,其中部分 chiplet 内部还可能内嵌 3D-IC 组件(如 HBM、3D NDP 近数据处理单元)。论文原文这样描述系统结构(Fig. 1):
系统自下而上的层次(论文 Fig. 1):**基板 substrate → 转接层 interposer(内含 TSV 阵列)→ chiplet 层(XPU 处理器、DRAM/HBM 存储、模拟/RF 器件、3D-IC 等,间隙填充环氧塑封料 EMC)→ TIM1 界面材料 → 均热板 heat spreader → TIM2 → 热沉 heat sink**(热沉可通过改变对流换热系数 HTC 模拟多种实际工况)。
2.2 非线性来源:高温下的双重非线性¶
3.5D-IC 内部高温使问题从线性变成非线性,论文指出这直接阻碍了经典多重网格(MG)的直接套用:
非线性的两个来源(均来自论文 II-A 节公式):
非线性热导率:硅的导热系数随温度呈幂律依赖 \(\kappa(T) = \kappa_0(T_0/T)^\alpha\),非线性配置下取 :math:`kappa_{Si} = 148cdot(300K/T)^{1.5},text{W/m·K}`(线性配置下为常数 140 W/m·K);
非线性漏电功耗:漏电功率随温度呈指数增长 \(P_{leak} = P_{L0}\cdot e^{\beta(T-T_0)}\),实验中取温度系数 \(\beta = 0.015\text{/K @ 85°C}\)。总功耗 \(P = P_{dyn} + P_{leak}\),动态功耗基本不随温度变化,漏电功耗是指数项——这正是"热失控"(thermal runaway)风险的来源。
2.3 已有工具的三个缺口¶
论文 Table I 系统对比了主流热仿真工具:
| 仿真器 | 算法 | 效率 | 非线性仿真 | 热沉&均热板 | 3.5D-IC |
|---|---|---|---|---|---|
| COMSOL [4] | FEM | 低 | ✓ | ✓ | ✓ |
| MTA [7] | FEM | 中 | ✓ | ✓ | ✓ |
| HotSpot [5] | FDM | 低 | ✗ | ✓ | ✗ |
| 3D-ICE [6] | FDM | 低 | 仅热沉模型† | ✓ | ✗ |
| ANSYS Icepak [3] | FVM | 低 | 仅功耗非线性 | ✓ | ✓ |
| ATSim3D [8] | FVM | 高 | ✓ | ✗ | ✗ |
| 本文 ATSim3.5D | FVM | 高 | ✓ | ✓ | ✓ |
三大缺口:① 精度-效率两难——Icepak/COMSOL 精度高但慢(全系统细化网格导致计算量过大),HotSpot 均匀网格中心过密、边缘过疏(图 2 实测对比);② 非线性支持不全——HotSpot 不支持非线性、3D-ICE 只支持热沉非线性、Icepak 只支持漏电非线性不支持非线性热导率;③ 结构适配缺失——既有的多层网格/四叉树方法假设各层厚度一致,而 3.5D-IC 中不同 chiplet 厚度不同、层间错位:
三、核心方法:混合四叉树网格 + FAS-MG 非线性求解¶
- 预处理:读入输入文件(几何配置、floorplan、材料参数、功耗);
- 全局网格生成:对封装整体逐层划分全局网格;
- 局部细化:利用版图信息对 chiplet 等局部区域迭代细化(不同 chiplet 可独立网格化);
- 非线性多重网格求解:FAS-MG 求解稳态非线性传热方程;
- 输出:全系统温度场。
3.1 多层网格生成:混合四叉树(Hybrid Quadtree)¶
论文提出三步网格策略(III-B 节):
① 全局划分(Global Partition)——发热与散热部件区别对待。 chiplet 层先划分为均匀粗网格;与其尺寸相同的 interposer 层采用同样划分。而均热板/热沉这类散热部件,水平和垂直方向温度变化都较平缓,无需相同网格尺寸——用**粗网格两倍尺寸**的网格划分(Fig. 4(a)),边缘不足一个加倍粗网格尺寸的残余部分保留。这一策略同时避免了 HotSpot 中心过密边缘过疏的不平衡、以及 Icepak 连续细网格造成的计算负担过重。
② 局部细化(Local Refinement)——混合四叉树。 第一步:从 chiplet 层粗网格出发,凡跨多个 chiplet 的网格沿水平方向分裂为子网格,直至所有叶子网格只包含一个 chiplet(chiplet 间距约数百微米,最小子网格也对应此尺度);第二步:每个网格再在水平与垂直方向细分,垂直方向按 chiplet 内部层数划分,水平方向按**两个判据**生成逐层四叉树:
划分终止条件:网格尺寸达到最小网格尺寸(求解分辨率),或树深度达到最大层级 L。
③ 混合树结构。 全局划分的网格构成树的第一层,每个网格的子网格数恒为 4 的倍数(逐层四叉树的结果)。遍历采用深度优先搜索(DFS),记录每网格的层级与信息——有子网格的网格层级即其深度,无子网格的叶子对应从自身深度到最大层级 L 的多个层级(保证多重网格粗细层次完整)。
3.2 异质材料网格的等效热模型:Voigt-Reuss 界¶
3.5D-IC 中网格常含多种材料(chiplet 层中的环氧、interposer 中的 TSV),需建立等效热模型。不同于以往算数平均或等效电阻的公式,论文采用 **Voigt-Reuss 界**(引用 X. Liu 等 [20])——该形式便于后续构造限制算子:
其中 \(\kappa_V\) 为按体积占比的**算术平均**(Voigt 近似,等应变),\(\kappa_R\) 为**调和平均**(Reuss 近似,等应力)。
3.3 格心型 FVM 离散¶
对控制方程在控制体积 p 上积分并应用散度定理(论文 Fig. 5 记法:\(T_l\) 为第 l 层网格集合,\(N_l(p)\) 为同层邻居集合,p 与 q 的公共面为 σ,界面两侧温度 \(T_{\sigma 1}, T_{\sigma 2}\)):
界面通量做一阶展开并保证跨界面通量守恒,以 σ1/σ2 为例通量均匀分配 \(\kappa_p\frac{T_p - T_{\sigma 1}}{L_{xp}/2} = \kappa_{q1}\frac{T_{\sigma 1} - T_{q1}}{L_{xq1}/2}\),消去界面未知量 \(T_{\sigma 1}\) 后得界面通量 \(\frac{2\kappa_p\kappa_{q1}}{\kappa_p + 2\kappa_{q1}}\frac{T_p - T_{q1}}{L_{xp}/2}\cdot L_{yp}\cdot L_{zp}\)。对所有邻居汇总,得到 p 的离散方程:
边界处理:绝热面通量为零;贴近环境的面(如热沉层)通量为 \(h(T_p)(T_p - T_{amb})\)。汇总全部控制体积得第 l 层的离散非线性方程组(热导率与功耗均可能依赖局部温度):
3.4 FAS-MG 非线性多重网格求解器(Algorithm 1)¶
经典 MG 只适用于线性问题;处理非线性有两条路线——Newton-MG 与 FAS-MG(Full Approximation Scheme,全近似格式)。两者的核心区别在于粗网格上求解的对象:
求解步骤(论文 Algorithm 1):
- 初始化:在初始温度 :math:`T^{(init)}` 下求解第 1 层(最粗层)全局方程 :math:`G_1(T^{(init)})T_1^{(0)} = b_1(T^{(init)})`——全局网格数通常仅数万,可用直接求解器;
- 延拓(Prolongation):逐层插值到最细层 L 得到初解 :math:`T_L^{(0)}`。本文采用子网格直接继承父网格值的简单延拓——非线性热导率更新时传统线性/二次插值需每次重建,代价高,继承式延拓显著省算力;
- 限制(Restriction):不用简单平均(在材料界面处误差大),改用热导率加权平均 :math:`T_q = \sum_{i=1}^{4}\kappa_{q_i}T_{q_i}/(4\kappa_q)`(对齐 3.2 节 Voigt-Reuss 等效模型 [20]);
- FAS 循环:按最细层解更新热导率与功耗,计算残差 :math:`r_L^{(i)} = b_L^{(i)}(T_L^{(i)}) - G_L^{(i)}(T_L^{(i)})\cdot T_L^{(i)}`,逐层限制到最粗层;
- 最粗层求解:求解完整方程 :math:`G_0^{(i)}\tilde{T}_0^{(i)} = G_0^{(i)}T_0^{(i)} + r_0^{(i)}`(而非仅求解残差方程——非线性方程的解不可叠加);
- 校正与光顺:把最粗层修正量延拓回最细层叠加 :math:`T_L^{(i+1)} = T_L^{(i)} + P(\tilde{T}_0 - T_0)`,再用非线性 Jacobi 松弛光顺降残差(多数线性松弛格式无法有效用于非线性);
- 迭代直至达到最大迭代数 C 或残差小于阈值 ε。
收敛性说明(论文如实交代):FAS-MG 在一般非线性情形下尚无普适证明,本文依据控制方程的物理特性经验性保证收敛——大多数热负载下方程接近线性;非线性热导率通常变化不剧烈,而漏电功耗可能导致热失控,此时通过合理设置初值与收敛准则处理。
3.5 并行计算¶
框架天然适合并行:① 全局划分后的局部细化可并行;② 全局网格的系数矩阵与源项计算可并行;③ 迭代求解阶段采用多进程并行。实验平台为 Linux 服务器(2× Intel Xeon 2.1GHz,最多 40 核)。
四、实验结果:对照 Icepak / COMSOL 的精度与加速¶
4.1 测试系统与设置¶
两个测试系统:V100——简化的 Nvidia GV100 GPU(GPU 核 84 个流处理器 SM 简化为 7 个 SM 组 SMG,含两段 L2 缓存与多个接口模块,周围 4 个 HBM 模块);3.5D-NDPs——2×2 阵列的 3D 近数据处理(NDP)chiplet(每个 chiplet 为 1 层 DRAM 堆叠在 1 层逻辑上),interposer 中心布置 31×31 的 TSV 阵列(尺寸 100µm、间距 500µm)。边界条件:顶面 HTC 固定 1000 W/(m²·K)、底面 HTC=0(与不考虑二次散热路径的 ATSim3D 对齐可比)。
4.2 线性配置结果(金标准:Icepak)¶
| 配置 | 仿真器 | V100 | 3.5D-NDPs | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MARE/% | MaxE/°C | MAE/°C | 时间/s | MARE/% | MaxE/°C | MAE/°C | 时间/s | ||
| 线性 | Icepak(金标准) | 0 | 0 | 0 | 315 | 0 | 0 | 0 | 299 |
| HotSpot† | 3.00 | 2.66 | 1.46 | 40 | 无法处理 | ||||
| MTA | 1.15 | 3.08 | 0.57 | 12 | 0.67 | 1.17 | 0.29 | 9 | |
| ATSim3D† | 1.34 | 1.83 | 0.69 | 8 | 无法处理 | ||||
| 本文 | 0.82 | 1.36 | 0.41 | 5 | 0.34 | 0.95 | 0.15 | 3 | |
- 精度最优且最快:V100 上 MAE 0.41°C(对比 HotSpot 1.46 / ATSim3D 0.69 / MTA 0.57),耗时 5s(Icepak 315s,加速 63×);3.5D-NDPs 上 MAE 0.15°C、3s(Icepak 299s,加速约 100×);
- HotSpot 与 ATSim3D 无法处理 3.5D-NDPs——它们无法建模 3.5D-IC 的 3D NDP 结构(这正是 2.3 节缺口 ③ 的实测体现);
- TSV 可扩展性(论文 Fig. 6):Icepak 处理超过约 5k(71×71)的 TSV 阵列即吃力,本文方法随 TSV 数增长保持更优可扩展性与更低运行时间(相对 MTA)。
4.3 非线性配置结果(金标准:COMSOL)¶
| 配置 | 仿真器 | V100 | 3.5D-NDPs | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MARE/% | MaxE/°C | MAE/°C | 时间/s | MARE/% | MaxE/°C | MAE/°C | 时间/s | ||
| 非线性 | COMSOL(金标准) | 0 | 0 | 0 | 301 | 0 | 0 | 0 | 509 |
| MTA‡ | 1.23 | 3.98 | 0.66 | 26 | 0.54 | 0.56 | 0.23 | 17 | |
| ATSim3D | 2.02 | 2.24 | 1.08 | 44 | 无法处理 | ||||
| 本文 | 0.83 | 1.30 | 0.44 | 20 | 0.49 | 0.53 | 0.21 | 16 | |
- 精度保持在 <1% MARE 与 <2°C MaxE 内(论文声称的精度区间),同时显著优于 MTA 与 ATSim3D;V100 上 ATSim3D 的 MARE 达 2.02%,本文为 0.83%;
- 误差集中区:误差集中在高温中心区域——FEM 的 COMSOL 与 FVM 的本文在漏电功耗与热导率更新方式上的差异所致;
- 收敛性(论文 Fig. 7):残差初期快速下降后平滑收敛,残差跳变对应热参数(热导率与漏电功耗)更新时刻;克服了 ATSim3D 无法持续降低残差的局限:
五、结论与局限¶
5.1 主要结论¶
提出面向**非线性、异质 3.5D-IC 系统稳态仿真**的热仿真器 ATSim3.5D:新方法构建多层网格捕捉多尺度特征,并将 FAS 多重网格适配于非线性仿真;
对照商业仿真器 ANSYS Icepak(线性)/ COMSOL(非线性),精度 <1% MARE、<2°C MaxE,效率**平均 80 倍加速**;
成为 Table I 中唯一同时具备高效率 + 完整非线性 + 热沉/均热板建模 + 3.5D-IC 支持的工具。
5.2 局限(论文自述 + 客观核对)¶
- 误差两个来源:① 粗粒度误差(coarse-grained error)——可通过细化全局网格降低;② chiplet 层内环氧(EMC)缺乏垂直细分——可通过把大块 EMC 当作"哑 chiplet 块"缓解。未来工作将针对这两类误差优化;
- 收敛性为经验性保证:FAS-MG 在一般非线性情形下尚无普适收敛证明,本文依赖控制方程的物理特性(大多数热负载下接近线性)实证保证;漏电功耗可能导致热失控,需合理设置初值与收敛准则;
- 精度金标准受限:非线性配置下 Icepak 无法作为金标准(不支持非线性热导率),改用 COMSOL——两套金标准本身算法不同(FEM vs FVM),误差集中区体现了这一系统性差异;
- 本文为稳态仿真:聚焦热感知设计关心的稳态温度场,瞬态(transient)不在本文范围(FastTherm [9] 等处理瞬态);
- 未来工作:推广到结构更复杂的大规模 3.5D-IC 系统("In the future, we will generalize our methods to handle large-scale 3.5D-IC systems with more complex structures")。
六、对本站半导体仿真知识体系的启示¶
这篇论文与本站「半导体仿真」分类下的**热学**、数值方法应用、电学、**封装热设计**四个方向直接相关,几点启示:
- 格心型 FVM + 非线性多重网格是系统级热仿真的正解:本文(FVM + FAS-MG)与上一篇 IBM-RPI 多尺度工作流(FEM + RVE 计算均匀化,arXiv:2602.06999)恰好构成互补的两极——前者在系统级用多层网格 + 非线性多重网格求解整封装温度场,后者在材料级用 RVE 均匀化提取 BEOL 各向异性等效热导率。对自研求解器(格心型 FVM 统一框架)而言,两者都是可直接借鉴的路径:网格策略(混合四叉树多层网格)与求解策略(FAS-MG + 非线性 Jacobi)与求解器解耦,可移植到任何 FVM/FEM 框架;
- 非线性是 3.5D-IC 热仿真的必答题:温度依赖热导率(幂律)+ 指数漏电功耗构成双重非线性,漏电功耗是热失控的源头——这正是本站「热学」结温计算(Tj = Ta + P·Rth)与「电学」漏电物理的交叉点,也是「多物理场耦合」中电-热耦合的典型非线性模型;
- 多重网格对自研求解器加速的启示:FAS-MG 的延拓采用"子网格继承父值"以规避非线性热导率更新时重建插值算子的开销、限制算子采用热导率加权平均以正确处理材料界面——这两个工程细节与本站「AI+求解器/AI预条件与AMG学习」中 BoomerAMG 预条件的研究方向互补:前者处理非线性、后者加速线性内核;
- 异质材料网格的等效热导率:Voigt-Reuss 界(算术/调和平均的组合)比简单算术平均更稳健,且便于构造限制算子——与上一篇的 BEOL 计算均匀化思路异曲同工,均指向"网格内多材料 → 等效张量/标量"这一核心工程问题;
- 金标准选择的诚实性:论文明确说明 Icepak 不支持非线性热导率、改用 COMSOL 作金标准,并在不同配置下注明工具适用边界(HotSpot/ATSim3D 无法处理 3.5D-NDPs)——学术对比的边界条件交代是本站论文解读一贯坚持的口径。
七、参考来源¶
主文献:Wang, Q.; Zhu, T.; Lin, Y.; Wang, R.; Huang, R. ATSim3.5D: A Multiscale Thermal Simulator for 3.5D-IC Systems based on Nonlinear Multigrid Method. arXiv:2601.11053v1 [physics.app-ph], 2026-01-16(更新 2026-08-08). https://arxiv.org/abs/2601.11053 (全文 PDF:https://arxiv.org/pdf/2601.11053v1 )
代码仓库(论文脚注自述):github.com/Brilight/ATSim3D pub.git(脚注原文:"Compiled code & cases available at: https://github.com/Brilight/ATSim3D pub.git")——截至 2026-08-08 公开访问 404,未能独立确认仓库存在与内容,此处仅按论文原文引用,不保证可访问性。
前作 ATSim3D [8]:Q. Wang et al., "ATSim3D: Towards accurate thermal simulator for heterogeneous 3D-IC systems considering nonlinear leakage and conductivity," 2024 2nd International Symposium of Electronics Design Automation (ISEDA), IEEE, 2024, pp. 618–623.
ATplace2.5D [2]:Q. Wang et al., "ATplace2.5D: Analytical thermal-aware chiplet placement framework for large-scale 2.5D-IC," 2024 IEEE/ACM ICCAD, IEEE, 2024, pp. 1–8.
FastTherm [9](瞬态对照):T. Zhu et al., "FastTherm: Fast and stable full-chip transient thermal predictor considering nonlinear effects," 2024 IEEE/ACM ICCAD, IEEE, 2024, pp. 1–8.
MTA [7]:S. Ladenheim et al., "The MTA: An advanced and versatile thermal simulator for integrated systems," IEEE TCAD, vol. 37, no. 12, pp. 3123–3136, 2018.
HotSpot [5]:M. R. Stan et al., "HotSpot: A dynamic compact thermal model at the processor-architecture level," Microelectronics Journal, vol. 34, no. 12, pp. 1153–1165, 2003.
3D-ICE 3.0 [6]:F. Terraneo et al., "3D-ICE 3.0: Efficient nonlinear MPSoC thermal simulation with pluggable heat sink models," IEEE TCAD, vol. 41, no. 4, pp. 1062–1075, 2021.
Voigt-Reuss 等效 [20]:X. Liu et al., "An efficient strategy for large scale 3D simulation of heterogeneous materials to predict effective thermal conductivity," Computational Materials Science, vol. 166, pp. 265–275, 2019.
FAS-MG 教程 [15][23]:V. Henson et al., "Multigrid methods nonlinear problems: an overview," Computational Imaging, vol. 5016, pp. 36–48, 2003;W. L. Briggs, V. E. Henson, S. F. McCormick, A Multigrid Tutorial, SIAM, 2000.
3.5D-IC 背景 [10][11]:I. Lee et al., "Extremely large 3.5D heterogeneous integration for the next-generation packaging technology," 2023 IEEE 73rd ECTC, pp. 893–898;J. H. Lau, "Current advances and outlooks in hybrid bonding," IEEE TCPMT, 2025.
声明:本文为论文研究解读,数据均引自 arXiv:2601.11053v1 公开原文,仅供学习参考;解读部分为作者观点,不代表论文作者立场。论文脚注代码仓库链接未能独立验证,引用时请注意。