集成電路熱管理：片上和係統級的監測及冷卻 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 賽達·奧倫奇－麥米剋 著，硃芳波 譯

圖書標籤:

• 集成電路
• 熱管理
• 片上冷卻
• 係統級冷卻
• 熱監測
• 電子散熱
• 半導體
• 熱分析
• 可靠性
• 電子封裝

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111587682

版次：1

商品編碼：12310067

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 熱設計工程師精英課堂

開本：16開

齣版時間：2018-02-01

用紙：膠版紙

頁數：216

産品特色

編輯推薦

適讀人群 ：熱設計、熱管理領域的從業人員，電子工程師，集成電路設計工程師，高等院校相關專業師生

主要探討集成電路和係統散熱問題，芯片上集成溫度傳感、動態熱管理、主動散熱，如何在係統級以及中心機房、數據中心層麵上解決以上熱問題。

內容簡介

《集成電路熱管理：片上和係統級的監測及冷卻》著重講述瞭集成電路熱管理部分的片上和係統級的監測及冷卻，內容包括：集成電路和係統熱設計的挑戰以及芯片發熱原理；芯片內置溫度傳感器的分類、構造、工作原理和設計挑戰，基於芯片內置溫度傳感器的動態熱管理方法和控製原理；針對集成電路和ＩＣ芯片的主動冷卻措施、工作原理，並重點介紹瞭空氣冷卻、液體冷卻、ＴＥＣ熱電製冷以及相變冷卻技術；係統層以及數據中心層麵的熱事件緩解措施與方法，著重介紹瞭數據中心內設備的工作負載均衡技術以及熱感知、熱管理技術；片上和係統級的溫度檢測新發展趨勢。
《集成電路熱管理：片上和係統級的監測及冷卻》內容豐富、涉及的專業知識麵廣，適閤於從事熱設計、熱管理領域的從業人員，以及電子工程師、集成電路設計工程師，以及高等院校相關專業師生閱讀。

作者簡介

Seda Ogrenci-Memik:美國伊利諾斯州，西北大學電氣工程與計算機科學係副教授，主要研究方嚮包括：熱感知設計、高性能係統熱管理、嵌入式可編程計算以及熱測量技術。Seda Ogrenci-Memik兼任學術委員會主席以及委員會成員，常年組織委員成員追蹤各種國際會議，包括ICCAD、DAC、DATE、EUS、FPL、GLSVLSI以及ISVLSI，曾擔任IEEE Transaction on VLSI期刊編委會成員。

目錄

推薦序
譯者序
前言

第１章　集成電路和係統的熱問題１
　１.１　引起熱挑戰的技術發展趨勢２
　　１.１.１　係統設計要求２
　　１.１.２　産品可靠性要求４
　　１.１.３　産品性能要求６
　　１.１.４　成本、用戶體驗和經濟性要求７
　１.２　芯片的發熱原理８
　　１.２.１　高性能芯片的熱響應示例１０
　　１.２.２　芯片傳熱路徑１５
　參考文獻２１

第２章　芯片內置溫度偵測２７
　２.１　芯片內置溫度傳感器的工作條件及性能參數２８
　２.２　模擬型溫度傳感器３２
　　２.２.１　基於熱二極管的傳感器３２
　　２.２.２　電阻型傳感器３４
　　２.２.３　熱電偶和熱電堆３５
　　２.２.４　其他類型溫度傳感器３９
　２.３　數字溫度傳感器３９
　　２.３.１　基於ＭＯＳＦＥＴ輸齣電壓／電流的溫度傳感器３９
　　２.３.２　基於延遲時間的溫度傳感器４１
　　２.３.３　基於漏電流的溫度傳感器４２
　２.４　傳感器前端４３
　　２.４.１　溫度傳感器的Ｓｉｇｍａ－ＤｅｌｔａＡＤＣ ４４
　　２.４.２　溫度傳感器的ＳＡＲＡＤＣ ４４
　　２.４.３　溫度傳感器的ＰＴＤＣ ４５
　２.５　芯片內置溫度傳感器的設計挑戰４５

　　２.５.１　理想性和綫性度４６
　　２.５.２　對變化的魯棒性４７
　　２.５.３　溫度傳感器的校正４９
　２.６　通過係統布局提高溫度測量精度５２
　　２.６.１　通過內差法強化均勻網格５４
　　２.６.２　非均勻網格傳感器的分配與布置６０
　　２.６.３　可編程器件的傳感器分配和布局６５
　　２.６.４　溫度傳感器分配和布局的最新進展６８
　２.７　間接溫度監測７０
　參考文獻７１

第３章　動態熱管理７９
　３.１　芯片溫度傳感器的接口和動態熱管理係統８０
　　３.１.１　溫度傳感器的偏置網絡８０
　　３.１.２　溫度傳感器的通信網絡８５
　３.２　工業設計中基於溫度傳感器的動態功耗和熱管理８９
　　３.２.１　第一代動態熱管理８９
　　３.２.２　第二代動態熱管理９１
　　３.２.３　最新一代動態熱管理９３
　３.３　非商業設計溫度傳感器的動態優化方法９６
　　３.３.１　基於硬件設計的熱管理９６
　３.４　基於溫度傳感器的內存熱管理方法１０５
　　３.４.１　基於溫度傳感器的ＤＲＡＭ刷新率及寫時序優化１０５
　　３.４.２　基於溫度傳感器的ＤＲＡＭ架構優化１０７
　　３.４.３　基於溫度傳感器的硬盤熱管理１０７
　３.５　熱管理的控製係統深入探究１０８
　　３.５.１　閉環控製器１０８
　　３.５.２　隨機控製１１２
　　３.５.３　模型預測控製１１３
　參考文獻１１４

第４章　主動冷卻１２１
　４.１　空氣冷卻１２２
　　４.１.１　冷卻風扇的管理控製１２６
　　４.１.２　基於風扇之外的強迫空氣冷卻係統１２９
　４.２　液體冷卻１３１
　　４.２.１　液體冷卻係統的效率和成本優化１３４
　　４.２.２　３Ｄ集成電路芯片的液體冷卻１３６
　　４.２.３　直接液體冷卻１４２
　４.３　熱電冷卻１４２
　　４.３.１　ＴＥＣ裝置的工作原理及性能指標１４３
　　４.３.２　最新一代芯片內置冷卻器的設計１４５
　　４.３.３　熱電冷卻器的理論分析框架１４８
　　４.３.４　基於ＴＥＣ冷卻器的ＩＣ芯片熱管理１５０
　４.４　相變冷卻１５６
　參考文獻１５８

第５章　係統層、超級計算機以及數據中心層熱事件的緩解措施１６９
　５.１　ＯＳ層的散熱緩解措施１６９
　　５.１.１　熱感知技術優化１７１
　５.２　嵌入式實時係統的ＯＳ層熱管理策略１８４
　５.３　熱感知的虛擬化１９０
　５.４　應用層在溫度分布形成中的作用１９４
　５.５　數據中心和超級計算機的熱感知優化１９７
　　５.５.１　數據中心的熱耗特徵與性能指標１９７
　　５.５.２　係統層熱感知管理的軟件環境與配置２００
　參考文獻２０２

第６章　熱感知係統的發展趨勢２０７
　６.１　熱設計時考慮客戶舒適度２０７
　６.２　集成電路的熱迴收技術２１０
　６.３　芯片內置溫度傳感器的新材料和新設計２１２
　６.４　硬件安全性２１３
　參考文獻２１３

附錄　相關術語和單位２１６

前言/序言

前言

隨著集成電路尺寸越來越小、設計越來越復雜、功率密度越來越高、熱耗越來越大，如何快速、高效地處理産生的熱量，正在成為電路電流和未來集成電路設計的最重要瓶頸。當前係統最大的設計功耗，也越來越受限於係統散熱能力。
熱問題正在迫使芯片設計人員，應用保守的設計餘量創造齣次優的結果。對於更大規模的應用，如設計齣良好的高性能計算係統和數據中心，散熱成本已占據瞭總用電成本第二的位置，可占總用電成本的３０％ ～５０％。因此，熱監控和熱管理正在變得越來越重要。
本書涵蓋瞭集成電路的熱監控和熱管理內容，著重介紹瞭集成電路中芯片內置傳感器（相對於獨立封裝或獨立布置在電路闆上的傳感器而言） 的原理和材料。本書討論的傳感器裝置和電路內容主要包括，各種旨在將采樣溫度轉化為數字讀顯值的裝置以及主動偏置電路。主動偏置電路旨在將采集到的芯片溫度梯度，反過來用於熱管理。本書探討的主題包括：集成電路和係統熱問題、芯片上集成溫度傳感、動態熱管理、主動散熱以及如何在係統級以及中心機房、數據中心層麵上解決以上熱問題。

推薦序

一年前硃芳波老師在電話那頭很嚴肅地對我說，舒濤、廣亮和他準備一起翻譯《集成電路熱管理：片上和係統級的監測及冷卻》，他們三個人想一起做這件事情……話到此處，一下子讓我想到瞭劉關張結義欲建功立業的場景。三個人在一起可以做的事情很多，他們選擇瞭這麼一件耗時、費力的事情。但我想這其中最主要的原因還是他們對熱管理技術的專注和熱愛。相同的專業背景和行業從業經曆使他們走到瞭一起，這也成為書籍翻譯品質的保證。

《集成電路熱管理：片上和係統級的監測及冷卻》全書結構非常清晰，以集成電路熱量産生為起始，以元件升溫、高溫影響和傳熱路徑為引子，讓讀者充分瞭解到熱管理的重要性和必要性。之後圍繞溫度偵測、動態熱管理、冷卻方式和數據中心冷卻等內容進行瞭詳細論述。嚴謹和科學的計算公式、詳盡的知名企業熱管理技術講解和寶貴的熱管理設計經驗都可以在書中找到。本書對初涉此領域的從業人員展開瞭一幅熱管理的畫捲，同時也對從業多年的熱管理“老司機”輕輕地訴說著專業性的技術。

本書就如同三位譯者呈現給我國熱管理行業的一份特殊禮物。行業從業人員可以從中汲取到自己關注的內容，無論是深入的理論、前沿的技術抑或是寶貴的經驗。好在硃芳波說要送我一本，否則我肯定會去購買一本。

上海熱領科技技術主管 李波

譯者序

近年來，由於設備和元器件的集成度越來越高、功率密度越來越大，熱設計變得越來越重要。熱設計工程師承擔的工作職責也越來越多，正如當下熱詞“一專多能”所描述的那樣，為瞭能設計齣一款性能卓越的産品，熱設計工程師除瞭需要掌握熱專業相關的知識外，還需要瞭解硬件、軟件算法、係統架構等專業領域的內容。

目前市麵上的熱設計類書籍大部分是以熱專業為主的書籍。本書原作者以一個學者的眼界，撰寫瞭一本以熱監控和熱管理為主綫，從電子、軟件算法、芯片封裝角度展開討論，揭示瞭熱監控和熱管理背後的專業知識。根據譯者多年的從業經驗，本書可以作為一本拓寬熱設計工程師知識領域的專業類書籍，除瞭基本的熱管理之外，它還會引導讀者瞭解更多關於硬件、軟件算法、芯片封裝類的知識。

《散熱革命：微觀至宏觀的溫度掌控藝術》 在信息技術飛速發展的浪潮中，我們正以前所未有的速度邁嚮更強大的計算能力、更復雜的集成電路以及更精密的係統設計。然而，伴隨而來的是一個不容忽視的挑戰：熱量。在微觀的芯片層麵，晶體管的密集排布與高速開關産生的瞬時高溫，能夠輕易突破材料的極限，導緻性能衰減甚至永久性損壞。宏觀到整個係統，服務器機房的能源消耗，電子設備的散熱空間，都成為製約技術進步的瓶頸。 《散熱革命：微觀至宏觀的溫度掌控藝術》正是聚焦於這一核心議題，它並非僅僅是一本介紹技術手冊，而是深入探討瞭理解、預測、監測和有效管理電子設備內部溫度的全麵性科學與藝術。本書緻力於為工程師、設計師、研究人員以及對未來科技發展懷有好奇心的讀者，提供一套係統性的知識框架和前沿的實踐指導。 第一篇：溫度的本質與芯片的挑戰 本篇將帶領讀者從基礎齣發，理解熱量的産生機製及其在電子元件中的錶現。我們將剖析半導體材料在電流通過時如何産生焦耳熱，晶體管開關過程中的動態功耗如何纍積，以及不同製造工藝對熱分布的影響。 熱力學基礎與電子學交互： 深入淺齣地介紹熱力學定律在電子設備中的應用，例如熱傳導、熱對流和熱輻射的原理。我們將分析不同材料的導熱係數、比熱容等關鍵參數，以及它們如何影響熱量的散發。 芯片內部熱源解析： 詳細闡述集成電路上不同功能模塊（如CPU核心、GPU、內存控製器、I/O接口等）産生的熱量差異，以及這些熱量在芯片內部的分布情況。我們將探討漏電流、通路電阻等微觀因素對整體發熱的影響。 熱應力與可靠性： 熱量不僅僅是能量，它還會引發材料的膨脹和收縮，産生熱應力。本書將分析熱應力如何導緻焊點開裂、芯片翹麯、封裝失效等問題，並探討如何通過材料選擇和結構設計來緩解這些不利影響。 先進工藝下的熱量難題： 隨著摩爾定律的推進，晶體管尺寸不斷縮小，集成度空前提高，單位麵積的發熱密度也隨之劇增。本篇將著重分析3D堆疊、FinFET、GAAFET等前沿工藝帶來的新型熱管理挑戰，以及對傳統散熱方案提齣的更高要求。 第二篇：精密的溫度監測與智能感知 準確可靠的溫度監測是有效散熱的前提。《散熱革命》將全麵介紹當前主流的溫度監測技術，並展望未來的發展方嚮，強調智能化與集成化。 片上溫度傳感技術： 深入探討基於PN結電壓、二極管、電阻等不同原理的片上溫度傳感器。我們將分析它們的精度、響應速度、功耗以及在不同溫度範圍內的適用性。 數字與模擬傳感器的結閤： 介紹如何將模擬傳感器信號轉化為數字信號，以及如何通過ADC（模數轉換器）和專用處理單元實現高精度的溫度讀數。 熱成像與紅外檢測： 講解非接觸式溫度測量技術，如紅外熱像儀在芯片和係統級故障診斷、熱點識彆中的應用。我們將討論如何解讀熱成像圖譜，發現隱藏的散熱問題。 嵌入式傳感器網絡與數據融閤： 探討如何在復雜的電子係統中部署多點溫度傳感器，形成傳感器網絡，並利用數據融閤算法提高溫度測量的魯棒性和準確性。 智能化溫度預測與異常檢測： 介紹基於機器學習和人工智能的溫度預測模型，如何根據曆史數據和運行狀態預測未來的溫度變化趨勢，並及時發齣異常報警，預防潛在的過熱風險。 第三篇：創新的冷卻策略與係統優化 在透徹理解熱量産生和精準監測的基礎上，本書將聚焦於多樣化、高效化的冷卻技術，從微觀的被動散熱到宏觀的主動冷卻，再到顛覆性的新型技術。 被動散熱技術深度解析： 導熱材料的革新： 詳細介紹金屬（銅、鋁）、陶瓷、石墨烯、碳納米管等不同導熱材料的特性，以及它們在散熱片、導熱墊、導熱界麵材料（TIMs）中的應用。 散熱器的設計與優化： 探討翅片結構、熱管、均熱闆等被動散熱器件的設計原理，以及如何通過流體動力學和傳熱學分析優化其散熱效率。 自然對流與強製風冷： 分析空氣在自然狀態下的對流散熱，以及通過風扇強製通風提高散熱效果的策略。我們將討論風道設計、風扇選型、噪音控製等關鍵要素。 主動冷卻技術的演進： 液冷係統詳解： 深入剖析水冷、油冷等液冷技術，包括水泵、水道、冷排、熱交換器的設計與應用。我們將討論其在高功率密度設備中的優勢，以及在服務器、高性能計算、汽車電子領域的廣泛應用。 熱電製冷（TEC）： 介紹珀爾帖效應在製冷方麵的應用，及其在特定場閤（如激光器冷卻、微電子器件精確控溫）的特殊價值。 相變冷卻與蒸發冷卻： 探討利用物質相變（如蒸發、冷凝）吸收和釋放大量熱量的冷卻技術，分析其在高密度散熱場景下的潛力。 新興與未來冷卻技術展望： 微通道散熱器： 介紹在微觀尺度上實現高效熱交換的微通道技術，及其在微型化電子設備中的應用前景。 納米流體散熱： 探討在基礎冷卻液中添加納米顆粒，如何顯著提升其導熱性能，為未來超高密度散熱提供新思路。 直接芯片冷卻（Direct-to-Chip Cooling）： 分析將冷卻介質直接作用於芯片錶麵，實現最直接、最高效熱量傳遞的技術。 集成式熱管理係統： 展望未來，散熱不再是獨立的組件，而是與芯片設計、係統架構融為一體的整體解決方案。 第四篇：係統級集成與環境適應性 熱管理並非孤立的技術，它需要與整個電子係統的設計、製造和運行環境緊密結閤。《散熱革命》將強調係統層麵的思考和整體優化。 PCB布局與熱路徑規劃： 討論印刷電路闆（PCB）的布局如何影響熱量的傳導路徑，以及如何通過優化布局來避免熱量在關鍵區域的聚集。 機箱設計與氣流管理： 分析機箱的結構、開孔、內部隔闆等設計元素對係統整體散熱效率的影響，以及如何通過精細的氣流管理來優化散熱性能。 能源效率與熱管理的協同： 探討如何在實現高效散熱的同時，最大限度地降低能耗。我們將分析動態頻率調整、低功耗模式等技術如何與散熱策略協同工作。 高可靠性與長期穩定性： 強調熱管理設計在保障電子設備長期穩定運行中的關鍵作用，並探討極端環境（高溫、高濕、振動等）下的熱管理挑戰與對策。 綠色計算與可持續發展： 審視電子設備散熱技術對環境的影響，並探討如何在設計和應用中融入綠色理念，推動可持續的計算發展。 《散熱革命：微觀至宏觀的溫度掌控藝術》並非僅僅羅列技術細節，更在於引導讀者建立一種全局觀的思維模式。從單個晶體管的微觀熱行為，到整個數據中心宏觀的能源消耗，本書將帶領讀者構建起一個完整、連貫的知識體係。它將幫助您理解為何微小的溫度波動會在關鍵時刻導緻係統崩潰，又如何通過巧妙的設計和先進的技術，將嚴峻的熱挑戰轉化為推動科技進步的強大動力。這本書，是所有緻力於創造更強大、更可靠、更高效電子設備的人們的必備讀物，是解鎖下一代計算潛力的關鍵鑰匙。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我帶來的最大驚喜，在於它對於“片上”和“係統級”兩個維度之間關係的深度挖掘。我之前一直認為，解決集成電路的發熱問題，主要依賴於外部的散熱設備，比如風扇、散熱片等。但這本書讓我明白，芯片本身的結構設計和內部的熱量分布，同樣至關重要。它詳細闡述瞭如何通過優化電路設計、材料選擇等方式，從源頭上減少熱量的産生，並引導熱量嚮更易於散熱的區域轉移。而且，書中對各種監測技術——從微觀的半導體傳感器，到宏觀的紅外成像——的介紹，讓我看到瞭一個更加智能化、精細化的熱管理圖景。這種“內功”與“外功”並重，軟硬兼施的散熱策略，無疑是未來集成電路發展的必然趨勢。

評分☆☆☆☆☆

我是一名對前沿技術充滿好奇的愛好者，一直對微電子領域的發展動態非常關注。當我在書店看到這本書時，就被它極具吸引力的書名所打動——“集成電路熱管理：片上和係統級的監測及冷卻”。坦白說，我最初對“熱管理”這個詞匯並沒有非常深刻的理解，但隨著閱讀的深入，我逐漸被書中龐大而精密的知識體係所摺服。它不僅僅是一本技術手冊，更像是一部關於如何“駕馭”集成電路能量的史詩。作者以其深厚的功底，將看似枯燥的理論知識，通過大量的案例分析和圖示，變得生動形象，易於理解。我尤其喜歡書中關於“監測”的部分，它讓我看到瞭如何通過精密的儀器和算法，實時感知芯片的“情緒”，並據此做齣及時的“乾預”。這種主動、智能的散熱管理理念，讓我對未來電子設備的散熱方式充滿瞭期待。

評分☆☆☆☆☆

我是一名業餘的電子愛好者，對各種新奇的技術總是有著強烈的興趣。當我偶然看到這本書時，就被它充滿瞭科技感的標題所吸引。盡管我不是專業的工程師，但書中深入淺齣的講解方式，讓我能夠輕鬆理解那些看似高深的專業知識。我尤其喜歡書中關於“監測”的章節，它讓我看到瞭科學傢們是如何通過各種巧妙的工具，去“傾聽”芯片的“心跳”，感知它的“體溫”。書中對於不同散熱技術的介紹，也讓我對電腦、手機等電子産品內部的構造有瞭更深的認識。這本書讓我覺得，原來集成電路的熱管理並非遙不可及，而是與我們的日常生活息息相關。它激發瞭我進一步探索電子工程奧秘的興趣。

評分☆☆☆☆☆

這本書真是讓我大開眼界！我一直以為集成電路散熱隻是一個小眾的工程問題，但這本書徹底顛覆瞭我的認知。它不僅僅是堆砌一堆數據和公式，而是以一種非常生動且引人入勝的方式，將復雜的物理原理和工程實踐串聯起來。從最基礎的傳導、對流、輻射，到各種先進的散熱技術，作者都娓娓道來，仿佛一位經驗豐富的老師在手把手地教導。最讓我印象深刻的是，書中對“片上”和“係統級”兩個層麵的區分和深入探討。以前我隻關注芯片本身的散熱，但這本書讓我意識到，整個係統的協同散熱策略纔是實現高性能和高可靠性的關鍵。它詳細介紹瞭各種監測技術，例如熱敏電阻、紅外熱像儀，以及如何利用這些數據來動態調整冷卻方案。讀完這本書，我感覺自己對電子産品的內部運作以及它們如何被“馴服”有瞭更深層次的理解，這對於任何一個對電子工程有興趣的人來說，都是一份寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

作為一名資深電子工程師，我對集成電路的熱管理問題一直深感睏擾。近年來，隨著芯片性能的飛速提升，散熱問題已經成為製約其發展的瓶頸之一。我閱讀過不少關於此領域的書籍，但大多數都停留在理論層麵，缺乏實際的應用指導。而這本書卻完全不同，它將理論與實踐完美結閤，不僅深入淺齣地介紹瞭各種熱管理的基本原理，更提供瞭大量實用的監測和冷卻技術。作者的敘述邏輯清晰，語言精煉，而且對細節的把握十分到位。書中關於“係統級”熱管理的論述，尤其讓我眼前一亮。它打破瞭我原有的思維定勢，讓我認識到，要實現高效的熱管理，必須從整個係統的角度齣發，進行全局優化。這本書為我解決實際工程問題提供瞭寶貴的思路和方法，我強烈推薦給所有從事電子設計和研發的同行們。

評分☆☆☆☆☆

難懂！！！適閤有基礎的人

評分☆☆☆☆☆

産品品質非常好，服務也很到位，值得推薦

評分☆☆☆☆☆

是正版書，大概翻瞭一下，講解的比國內的教材好多瞭。

評分☆☆☆☆☆

給老公買的，不知道內容如何，包裝可以。

評分☆☆☆☆☆

京東商城質量沒的說，一直信賴，快遞員超贊，棒棒的

評分☆☆☆☆☆

可靠性設計要遵循的原則很多，這裏麵有很多值得參考和藉鑒，不過也要根據實際係統來進行變通。

評分☆☆☆☆☆

一直需要這樣一本書，這次果斷下手瞭！

評分☆☆☆☆☆

老公買來看的，也不知道有作用沒有，嗬嗬

評分☆☆☆☆☆

Floefd 在市麵上的唯一指導書籍，實例屬於入門級難度，值得深入研究。好書。