微处理器发展早期,频率逐年成倍提高,带来功耗和温度的不断增加,其采用的空气散热技术已经接近其热通量极限。导致在2004年之后的微处理器频率不再有较大提高的趋势,而微处理器架构也从单核逐步向多核发展,通过提高并行性来提高性能。但随着核数的增加,由于线延迟带来的“存储墙”和“带宽墙”也变得更加严峻。随着三维集成电路技术的出现,微处理器迎来了新的性能提升途径。但三维集成电路面临的一个重要挑战就是散热问题,现在仅有少量功耗较低的商用芯片能实现3D集成,如存储芯片。而高性能芯片在集成过程中造成的热量聚集是传统空气散热技术不能解决的。微通道层间冷却技术被认为是可以解决三维集成电路热问题的一个有效方案,其可以提供较传统散热技术更高的散热系数。本文以优化基于层间冷却的三维堆叠微处理器的热量控制能力为主要内容,以降低热紧急事件和微处理器内部热量分布差异为主要优化目标,具体的热优化相关指标包括最高温度、平均温度和热梯度等。本文在分析并建立基于层间冷却的三维多核微处理器热量模型基础上,分别从任务分配和布局规划两个方面展开微处理器热优化机制的相关研究、实验和结果分析。本文的主要工作和创新点如下:1.研究基于层间冷却的三维多核微处理器热量模型,在现有传统集成技术的微处理器热量评估模型的基础上,构建了一种基于层间冷却的三维多核微处理器热量模型TM-3DICool。分别从固体热量模型和液体热量模型出发,精确地分析包括层间冷却系统在内的微处理器的热量产生和传播特性,为本文后续的微处理器热量管理优化设计提供支持。2.研究基于层间冷却的三维多核微处理器热优化任务分配技术,以模拟退火优化方法为核心,提出了一种基于层间冷却的三维多核微处理器热优化任务分配技术TASA-3DICool。定义了“99%”功耗来表征微处理器正常工作与极端工作状态的差别,使得该优化任务分配技术兼顾微处理器中各任务正常运行与极端运行状态,优化后得到的分配方案在两种运行状态的最高温度和最大温度梯度都具有更好的平衡。3.研究基于层间冷却的三维多核微处理器热优化布局规划技术,以粒子群优化方法为核心,提出了一种基于层间冷却的三维多核微处理器热优化布局规划技术FPPSO-3DICool。热优化布局规划降低热量聚集的这一目标,与粒子群优化方法中各粒子趋冷避热的特性正好契合从而获得热优化布局规划结果,降低微处理器内部最高温度和最大温度梯度。通过与常用的布局规划机制获得方案的实验结果对比,说明本文提出的热优化布局规划技术FPPSO-3DICool具有较强的温度控制与热量均衡能力,特别是在处理核心数量较多,而布局空间受限情况下的表现最佳。