集成电路中电热耦合建模理论及高效数值方法研究

Integrated Circuit (IC) is one of strategically important industries in our country, whose technology advances demand accurate and efficient simulation tools. We will carry out researches on modelling theories and efficient numerical methods for solving the DC IR-Drop and thermal problem consistently in IC, and develop feasible and fast simulation software. More specifically, we will study the fast Poisson solver based on the Helmholtz decomposition and valid approaches of decomposing the Loop-Tree basis functions in complicated structures. Secondly, we will conduct the research on the electrical-thermal co-simulation method, which can solve the DC IR-Drop and the thermal problem iteratively. Finally, the preconditioning techniques will be examined to optimize simulation methods and the parallel computing and GPU acceleration techniques will be investigated and applied for improving simulation efficiency. This project is promising for providing theoretical prediction and application tools for IC designers, hence promoting the advance of Chinese IC industry.

集成电路产业是我国的一项具有战略地位的重要产业，其技术发展需要准确高效的仿真工具支持。本课题将研究集成电路中电热耦合建模理论和高效的数值仿真算法，研究能将电学直流电压压降（DC IR-Drop）分析和热学温度分析耦合求解的方法，开发快速有效的模拟软件。首先，我们将研究采用亥姆霍兹分解技术的快速泊松方程求解方法，研究在复杂结构下环状-树形基函数分解的高效方法，开发能处理复杂三维结构的高效的泊松方程求解器。其次，我们将研究电学方程与热学方程耦合求解的数值方法，采用迭代方法自洽求解直流电压压降和温度分布问题。最后，我们将研究预条件技术对迭代特性的改善和优化，并研究并行方法和硬件加速技术，进一步提高算法效率。该课题可为先进集成电路系统的设计提供理论预测和工程支持，促进我国集成电路技术的发展。

集成电路（IC）产业是培育发展战略性新兴产业、推动信息化和工业化深度融合的核心与基础，是转变经济发展方式、调整产业结构、保障国家信息安全的重要支撑。随着集成电路的快速发展，集成电路朝着更高集成度更小体积方向发展，进而，对集成电路电热耦合理论的建模理论和数值仿真成为推动集成电路发展的基石。. 本课题对集成电路中所遇到的电热耦合问题开展研究。第一，研究了基于亥姆霍兹分解技术的新型泊松求解方法，课题对三维情况下亥姆霍兹分解技术、新型泊松求解方法以及叠层基函数预条件进行了研究，发现基于亥姆霍兹分解技术的泊松求解器计算效率低于多网格求解技术；此方面工作对基于亥姆霍兹分解的技术的新型泊松方程求解方法进行了有益的探索。第二，课题对电热耦合的问题开展详细研究，独立开发了集成电路电热耦合问题的求解器，并研究了相应的预条件技术，通过数值实验证明了求解器的正确性和有效性，进而提供了一个解决集成电路电热耦合问题的仿真模拟算法平台。第三，本课题对集成电路在毫米波应用中的新型导波结构进行了研究，开发了一些易于电路集成的器件，对未来通信系统中的相关集成器件提供思路。