集成电路热管理：片上和系统级的监测及冷却

从《笑谈热设计》到《电子产品设计宝典可靠性原则2000条》，再到《FloEFD 流动与传热仿真入门及案例分析 》，再到《LED照明产品的热设计与实战》，直到今天的《集成电路热管理：片上和系统级的监测及冷却》我们倾心为身为电子产品设计工程师、热设计工程的您打造了全方位、立体时的解决方案。在这里有您逗您会心一笑的幽默讲解，也有呆板的设计原则，还有基于软件的实现，更有基于行业的实践实例，愿您能在这里找到所需，解决难题，实现事业的腾飞。 

本书着重讲述了集成电路热管理部分的片上和系统级的监测及冷却，内容包括：集成电路和系统热设计的挑战以及芯片发热原理；芯片内置温度传感器的分类、构造、工作原理和设计挑战，基于芯片内置温度传感器的动态热管理方法和控制原理；针对集成电路和ＩＣ芯片的主动冷却措施、工作原理，并重点介绍了空气冷却、液体冷却、ＴＥＣ热电制冷以及相变冷却技术；系统层以及数据中心层面的热事件缓解措施与方法，着重介绍了数据中心内设备的工作负载均衡技术以及热感知、热管理技术；片上和系统级的温度检测新发展趋势。
本书内容丰富、涉及的专业知识面广，适合于从事热设计、热管理领域的从业人员，以及电子工程师、集成电路设计工程师，以及高等院校相关专业师生阅读。

Seda Ogrenci-Memik:美国伊利诺斯州，西北大学电气工程与计算机科学系副教授，主要研究方向包括：热感知设计、高性能系统热管理、嵌入式可编程计算以及热测量技术。Seda Ogrenci-Memik兼任学术委员会主席以及委员会成员，常年组织委员成员追踪各种国际会议，包括ICCAD、DAC、DATE、EUS、FPL、GLSVLSI以及ISVLSI，曾担任IEEE Transaction on VLSI期刊编委会成员。

推荐序
译者序
前言
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－ＤｅｌｔａＡＤＣ ４４
　　２.４.２　温度传感器的ＳＡＲＡＤＣ ４４
　　２.４.３　温度传感器的ＰＴＤＣ ４５
　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　代动态热管理８９
　　３.２.２　第二代动态热管理９１
　　３.２.３　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
Ⅷ　集成电路热管理：片上和系统级的监测及冷却
　　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　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

前 言
随着集成电路尺寸越来越小、设计越来越复杂、功率密度越来越高、热耗越来越大，如何快速、高效地处理产生的热量，正在成为电路电流和未来集成电路设计的重要瓶颈。当前系统的设计功耗，也越来越受限于系统散热能力。
热问题正在迫使芯片设计人员，应用保守的设计余量创造出次优的结果。对于更大规模的应用，如设计出良好的高性能计算系统和数据中心，散热成本已占据了总用电成本第二的位置，可占总用电成本的３０％ ～５０％。因此，热监控和热管理正在变得越来越重要。
本书涵盖了集成电路的热监控和热管理内容，着重介绍了集成电路中芯片内置传感器（相对于独立封装或独立布置在电路板上的传感器而言） 的原理和材料。本书讨论的传感器装置和电路内容主要包括，各种旨在将采样温度转化为数字读显值的装置以及主动偏置电路。主动偏置电路旨在将采集到的芯片温度梯度，反过来用于热管理。本书探讨的主题包括：集成电路和系统热问题、芯片上集成温度传感、动态热管理、主动散热以及如何在系统级以及中心机房、数据中心层面上解决以上热问题。