[논문 리뷰] ATSim3D: Towards Accurate Thermal Simulator for Heterogeneous 3D-IC Systems Considering Nonlinear Leakage and Conductivity

Qipan Wang, Tianxiang Zhu외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 16.

3D IC and TSV technologies인용 수 0

한 줄 요약

ATSim3D는 비선형 및 이질적인 3D-IC에 대한 글로벌-로컬 열 시뮬레이터를 제시하며, COMSOL 대비 약 40배의 속도 향상과 <3% 상대 오차로 고해상도 정상상태 온도를 달성합니다.

ABSTRACT

Thermal simulation plays a fundamental role in the thermal design of integrated circuits, especially 3D ICs. Current simulators require significant runtime for high-resolution simulation, and dismiss the complex nonlinear thermal effects, such as nonlinear thermal conductivity and leakage power. To address these issues, we propose ATSim3D, a thermal simulator for simulating the steady-state temperature profile of nonlinear and heterogeneous 3D IC systems. We utilize the global-local approach, combining a compact thermal model at the global level, and a finite volume method at the local level. We tackle the nonlinear effects with Kirchhoff transformation and iteration. ATSim3D enables local-level parallelization that helps achieve an average speedup of 40x compared to COMSOL, with a relative error &lt;3% and a state-of-the-art resolution of 4096 x 4096, holding promise for enhancing thermal-aware design in 3D ICs.

연구 동기 및 목표

• 비선형 및 이질적인 3D-IC의 정확하고 고해상도 열 시뮬레이션 필요성에 대응한다.
• 초고해상도(최대 4096×4096)에 도달할 수 있는 확장 가능한 글로벌-로컬 프레임워크를 개발한다.
• 비선형 열전도도와 누설 전력을 열 모델에 포함시킨다.
• 정확도를 희생하지 않으면서 시뮬레이션을 가속하기 위해 로컬 수준의 병렬 계산을 제공한다.
• 엄격한 해석기와 대조 검증을 수행하고 상당한 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 글로벌-로컬 접근 방식을 채택한다: 거친 글로벌 모델을 풀고 상세 로컬 부분도 병렬로 해석한다.
• 비선형 전도도 방정식을 선형화하고 물질 경계면을 다루기 위해 Kirchhoff 변환을 사용한다.
• 인터페이스에서 조화 평균전도도를 갖는 변환된 방정식을 이산화하기 위해 로컬 수준에서 유한체적법(FVM)을 적용한다.
• 글로벌 및 로컬 해답 간 누설 및 전도도 분포를 수렴할 때까지 반복적으로 업데이트한다(일반적으로 <0.1°C 변화)
• 로컬 서브도메인 해를 병렬화하여 실질적인 속도 향상을 달성한다.

(a) nonlinear conductivity of Si

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 전도도와 누설 전류를 이질적 3D-IC의 고해상도 열 모델에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ2 글로벌-로컬 프레임워크가 정확한 결과와 감소된 런타임으로 초고해상도 열 분포를 제공할 수 있는가?
• RQ3 Kirchhoff 변환과 인터페이스 연속성이 3D-IC의 비선형 열 편형방정식(PDE)을 해결하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Mono3D 및 TSV 기반 3D-IC 구성에서 비선형 효과가 온도 예측에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 정확도와 효율성을 위한 글로벌 그리드 해상도, 로컬 그리드 해상도 및 반복 횟수 간의 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• ATSim3D는 COMSOL에 비해 평균 약 40배의 속도 향상을 달성하고 상대 오차 <3% 및 최대 오차가 3°C 미만이다.
• 활성층에서 최대 4096×4096의 초고해상도를 지원한다.
• 비선형 효과(전도도 및 누설)가 TSV 기반 3D-IC에서 약 10°C까지의 온도 차이를 야기할 수 있다.
• 이 방법은 메모리 효율을 유지하고 TSV 지원 이질성의 경우 특히 PACT와 같은 일부 기존 해답보다 확장성이 더 좋다.
• 비선형성을 고려한 실행에서 수렴은 일반적으로 3–4 회 반복 내에 달성된다.
• 오류는 고온 영역이나 경계 근처에 집중되며, 메쉬 분할 및 경계 조건 처리에 따라 영향을 받는다.

(b) nonlinear leakage power