基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热方法、装置及存储介质

本发明涉及微电子器件热管理，具体涉及一种基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热方法、装置及存储介质。

背景技术：

1、随着集成电路、功率器件、微机电系统和高性能计算芯片的发展，芯片单位面积功耗不断升高，局部区域容易形成高温热点。热点通常具有尺度小、热流密度高、位置随负载变化而迁移等特点。传统散热方式多依赖整体冷却结构或固定位置的强化散热结构，当热点位置改变时，冷却能力难以及时集中到新的热点区域，导致局部温升过高、热应力集中、电迁移加速和器件可靠性降低。

2、在主动冷却方法中，若能够将可控微机器人引入冷却介质，并利用外加磁场驱动其移动到热点附近，再通过自旋转或摆动增强局部流体扰动，即可将冷却能力从整体区域转移到热点区域。但是，微机器人在微尺度冷却通道中处于低雷诺数环境，其运动受到磁场力、黏性阻力、压力梯度力、重力、浮力、壁面作用力以及旋转阻力矩的共同影响。若缺少完整的受力分析和力矩平衡模型，就难以准确确定机器人控制参数，也难以避免微机器人失步、碰壁或偏离热点区域。因此，有必要提出一种包含热点识别、受力建模、力矩分析、换热评价和反馈控制的完整芯片散热方法与装置。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热方法、装置及存储介质，用以解决现有散热方式难以适应芯片热点动态迁移、局部强化能力不足以及微机器人磁控参数缺乏力学依据的问题。

2、根据本发明公开实施例的第一方面，本发明提供一种基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热方法，采用如下的技术方案：

3、一种基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热方法，包括：

4、步骤一：获取芯片的表面温度分布以及表面热流密度分布，确定芯片热点区域、热点中心位置、芯片热点区域面积和热点区域内的最高温度；

5、步骤二：引导冷却介质流过芯片，并将悬浮于冷却介质中的磁控微机器人置于外加磁场作用下；

6、步骤三：根据微机器人在冷却介质中受到的磁场力、压力梯度力、黏性阻力、重力、浮力、近壁作用力和剪切升力，建立微机器人平移受力平衡模型，以确定微机器人由初始位置运行至芯片热点所在区域的控制参数；

7、步骤四：根据微机器人受到的磁驱动力矩、黏性阻力矩和近壁阻尼力矩，建立微机器人旋转力矩平衡模型，以确定微机器人在热点区域上方或附近的稳定旋转频率；

8、步骤五：根据微机器人稳定运行后冷却介质与芯片热点之间的实际换热量与最大可换热量的比值，确定微机器人稳定运行后热点区域的初始换热效率，以评价芯片热点区域局部初始散热效果；

9、步骤六：根据所述微机器人稳定运行后热点区域的初始换热效率与预设目标换热效率之间的偏差，调节控制参数，以改变所述磁控微机器人的平移运动和旋转运动状态，直到热点最高温度低于预设安全温度或所述微机器人稳定运行后热点区域的初始换热效率达到预设目标换热效率。

10、进一步地，所述热点区域由如下判据确定：

11、

12、其中，为芯片有效散热区域，和表示芯片有效散热区域内的平面位置坐标，表示在

t时刻，芯片表面位置处的温度值，为预设热点温度阈值，表示在

t时刻，芯片表面位置处的热流密度值，为预设热流密度阈值。

13、所述热点中心位置按温度与热流密度加权质心公式确定：

14、

15、其中，权重函数为：

16、

17、其中,

da=d

d，为面积微元，代表热点区域内的一个微小面元，表示在热点区域所占据的二维平面区域内进行面积分，用于求得在所述热点区域内所有位置坐标在方向上的加权总量，用于求得在所述热点区域内所有位置坐标在方向上的加权总量，用于求得在所述热点区域内的权重总和，代表在

t时刻，位置的综合热害权重，代表热点区域内

t时刻最高温度，代表热点区域内t时刻最大热流密度，和分别为温度权重和热流密度权重，且。

18、进一步地，所述根据微机器人在冷却介质中受到的磁场力、压力梯度力、黏性阻力、重力、浮力、近壁作用力和剪切升力，建立微机器人平移受力平衡模型为：

19、

20、在低雷诺数条件下忽略微机器人惯性时，微机器人平移运动满足准静态受力平衡：

21、

22、由此，微机器人由初始位置运行至芯片热点所在区域的控制参数满足如下方程：

23、

24、其中，为微机器人质量，为微机器人速度，为磁场力，为压力梯度力，为黏性阻力，为重力，为浮力，为剪切升力，为壁面或边界约束作用力，为冷却介质动力黏度，为冷却介质局部速度，为考虑近壁效应、通道约束和微机器人非球形结构影响的平移阻力修正系数，为磁控微机器人等效半径，为圆周率。

25、进一步地，所述根据微机器人受到的磁驱动力矩、黏性阻力矩和近壁阻尼力矩，建立微机器人旋转力矩平衡模型为：

26、

27、所述黏性阻力矩为：

28、

29、在低雷诺数准稳态条件下，微机器人在热点区域上方或附近的稳定旋转频率满足：

30、

31、其中，为微机器人转动惯量，为微机器人稳定旋转频率，磁驱动力矩，为局部流体涡量诱导力矩，为黏性阻力矩，为近壁阻尼力矩，为旋转阻力修正系数，为冷却介质在微机器人所在位置局部旋转速度，

，为矢量微分算子，为冷却介质动力黏度，为磁控微机器人等效半径，为圆周率。

32、进一步地，所述微机器人稳定运行后冷却介质与芯片热点之间的实际换热量为：

33、

34、其中，

35、

36、

37、为芯片热点区域面积，为微机器人稳定运行后、在热点区域稳定旋转时的实时局部对流换热系数，为微机器人稳定运行后、热点区域表面平均温度，和分别为冷却介质入口温度和出口温度。

38、进一步地，微机器人稳定运行后冷却介质与芯片热点之间的最大可换热量为：

39、

40、，为在

t时刻，热点区域内的最高温度：

41、

42、所述微机器人稳定运行后热点区域的初始换热效率为：

43、

44、其中，为冷却介质质量流量，为冷却介质质量流量，为冷却介质密度，为体积流量，为冷却介质的定压比热容。

45、进一步地，所述控制参数通过目标函数进行闭环更新：

46、

47、其中，为芯片的安全温度阈值，为预设目标换热效率，为微机器人实时位置，为实时热点中心位置，

、和为预设权重系数，表示正部函数。

48、根据本发明公开实施例的第二方面，本发明提供一种基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热装置，采用如下的技术方案：

49、一种基于磁控微机器人动态追踪芯片热点的散热装置，包括：

50、温度检测单元，用于获取芯片的表面温度分布；

51、热流密度检测单元，用于获取芯片的表面热流密度分布；

52、热点识别单元，与所述温度检测单元和所述热流密度检测单元连接，用于根据所述表面温度分布和所述表面热流密度分布确定芯片热点区域、热点中心位置、芯片热点区域面积和热点区域内的最高温度；

53、冷却介质引导单元，用于引导冷却介质流过芯片表面；

54、磁场发生单元，用于在芯片所在区域产生外加磁场；

55、磁控微机器人，悬浮于所述冷却介质中，在所述外加磁场作用下能够平移运动和旋转运动；

56、平移控制单元，与所述磁场发生单元连接，用于根据所述微机器人在冷却介质中受到的磁场力、压力梯度力、黏性阻力、重力、浮力、近壁作用力和剪切升力建立平移受力平衡模型，确定所述微机器人由初始位置运行至芯片热点所在区域的控制参数，并根据所述控制参数控制所述磁场发生单元驱动所述微机器人平移至热点区域；

57、旋转控制单元，与所述磁场发生单元连接，用于根据所述微机器人受到的磁驱动力矩、黏性阻力矩和近壁阻尼力矩建立旋转力矩平衡模型，确定所述微机器人在热点区域上方或附近的稳定旋转频率，并根据所述稳定旋转频率控制所述磁场发生单元驱动所述微机器人在热点区域旋转；

58、换热评价单元，与所述温度检测单元和所述热流密度检测单元连接，用于根据所述微机器人稳定运行后冷却介质与芯片热点之间的实际换热量与最大可换热量的比值，确定所述微机器人稳定运行后热点区域的初始换热效率；

59、反馈控制单元，分别与所述换热评价单元、所述平移控制单元和所述旋转控制单元连接，用于根据所述初始换热效率与预设目标换热效率之间的偏差，向所述平移控制单元和/或所述旋转控制单元发送调节指令，以改变所述磁控微机器人的平移运动和/或旋转运动状态，直到热点最高温度低于预设安全温度或所述初始换热效率达到预设目标换热效率。

60、根据本发明公开实施例的第三方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的芯片散热方法。

61、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

62、本发明提供的散热方法与装置，通过获取芯片的表面温度分布和热流密度分布，定位芯片热点位置，避免了传统散热方法中可能存在的盲目性。接着，将磁控微机器人置于外加磁场作用下，通过控制参数以将微机器人平移至热点上方并稳定旋转，实现了对热点的动态追踪和定点强化散热。在此基础上，本发明通过计算微机器人稳定运行后热点区域的初始换热效率，以量化评价当前控制参数下的初始散热效果；并根据所述初始换热效率与预设目标换热效率之间的偏差，对控制参数进行闭环反馈调节，持续优化微机器人的平移运动和旋转运动状态，直至热点最高温度降至安全阈值以下或换热效率达到预期目标；从而达到了对芯片热点有效散热的目的。上述“初始评估、偏差判定、闭环调节、达标终止”的控制策略，使得散热系统能够自适应地响应芯片热点的动态变化，在避免过度调控和能耗浪费的同时，确保芯片热点获得持续、稳定、高效的局部强化散热。