Diseño de convertidor integrado en chip para aprovechamiento de energía térmica en sistemas multiprocesador en chip 3D

La evolución en el desarrollo de sistemas electrónicos ha supuesto mayoritariamente la transición desde sistemas de componentes independientes en una misma PCB a circuitos cada vez más integrados. La tecnología CMOS de construcción de circuitos integrados ha permitido de forma sencilla la integración de circuitos cada vez más complejos. La búsqueda de una mejores prestaciones en los sistemas integrados ha llevado a la reducción del tamaño de los transistores para lograr una mayor densidad de los mismos. Esta evolución desde tecnologías de fabricación CMOS de 65nm en 2005 hasta los primeros dispositivos en el mercado con tecnologías de fabricación CMOS de 7nm ha permitido que se cumplan los postulados de la ley de Moore sobre el aumento del número de transistores en circuitos integrados. Sin embargo, limitaciones físicas hacen que no sea previsible que se pueda continuar con esta miniaturización. Una posible solución para extender la validez de la ley de Moore es la integración de circuitos en tres dimensiones. Esta integración resulta en una mayor densidad de transistores en el mismo área, permite el desarrollo de dispositivos con factores de forma menores y nos hace sustituir conexiones horizontales extensas por conexiones verticales más cortas que por lo tanto son más rápidas y tienen menos pérdidas. El desarrollo comercial de circuitos integrados 3D tiene también ciertas barreras que superar. Las más importantes son el refinamiento de las técnicas de manufactura de las obleas y el problema de la disipación térmica. Al apilar las obleas reducimos la longitud de las interconexiones pero se aumenta la longitud de disipación del calor por lo que se debe tener especial cuidado con el diseño térmico. Una técnica innovadora para la disipación del calor es la utilización de microcanales (FCA) por los que circulan líquidos que no solamente disipan calor, si no que actúan como una batería y permiten la obtención de potencia con lo que se reduce la necesidad de aporte energético de fuentes externas. Sin embargo, el voltaje producido por las FCA no coincide necesariamente con el voltaje requerido por las distintas partes del circuito, por lo que es necesario tener una interfaz entre la FCA y el circuito. Por lo tanto el objetivo de este proyecto es el desarrollo de un convertidor CC-CC para realizar esta tarea. En primer lugar se ha hecho un estudio del estado del arte de la materia y de los distintos tipos de convertidores CC-CC. Teniendo en cuenta los requisitos del proyecto se ha determinado que la mejor alternativa sería la utilización de convertidores del tipo Switched Capacitors (SC). A continuación el objetivo era el desarrollo de una herramienta que facilite el desarrollo de ese tipo de circuitos teniendo en cuenta las limitaciones que impone la aplicación a la que van destinados. Se ha desarrollado un modelo que permite calcular la frontera de Pareto de las características relevantes del convertidor en función de los parámetros constructivos y tecnológicos del mismo. Estos resultados han sido además validados mediante la simulación en el entorno Simulink. Se ha completado el diseño del convertidor con un análisis de distintas alternativas de control del mismo que han sido también validadas mediante varias simulaciones. De esta manera, se ha acotado el espacio de diseño de este convertidor y de sus alternativas de control facilitando su integración futura en sistemas integrados 3D con FCA