Strokovnjaki podjetja na konferenci VLSI Symposium TSMC predstavili svojo vizijo integracije sistema za hlajenje s tekočino neposredno v čip. Podobna rešitev za hlajenje mikrovezij bi lahko našla uporabo v prihodnosti, na primer v podatkovnih centrih, kjer je pogosto treba odstraniti kilovate toplote.
Z naraščanjem gostote tranzistorjev v čipih in uporabo 3D-postavitve, ki združuje več plasti, se povečuje tudi kompleksnost njihovega učinkovitega hlajenja. Strokovnjaki TSMC verjamejo, da se lahko v prihodnosti obetajo rešitve, po katerih bodo mikrokanali hladilne tekočine integrirani v sam čip. V teoriji se sliši zanimivo, v praksi pa uresničitev te zamisli zahteva ogromne inženirske napore.
Cilj TSMC je razviti tekočinski hladilni sistem, ki lahko odvede 10 vatov toplote s kvadratnega milimetra površine procesorja. Tako želi podjetje za čipe s površino 500 mm² in več odstraniti 2 kW toplote. Za rešitev težave je TSMC ponudil več načinov:
- DWC (Direct Water Cooling): mikrokanali za tekoče hlajenje se nahajajo v zgornji plasti samega kristala
- Pokrov Si z OX TIM: tekoče hlajenje je dodano kot ločena plast z mikrokanali, plast je povezana z glavnim kristalom preko OX (Silicon Oxide Fusion) kot termični vmesnik Thermal Interface Material (TIM)
- Si pokrov z LMT: namesto plasti OX se uporablja tekoča kovina
Vsaka metoda je bila testirana s posebno bakreno testno celico TTV (Thermal Test Vehicle) s površino 540 mm² in skupno kristalno površino 780 mm², opremljeno s temperaturnimi senzorji. TTV je bil nameščen na podlago, ki napaja. Temperatura tekočine v tokokrogu je bila 25°C.
Po mnenju TSMC je najučinkovitejša metoda direktno vodno hlajenje, to je, ko se mikrokanali nahajajo v samem kristalu. S to metodo je podjetju uspelo odstraniti 2,6 kW toplote. Temperaturna razlika je bila 63°C. V primeru uporabe metode OX TIM je bilo dodeljenih 2,3 kW pri temperaturni razliki 83°C. Metoda uporabe tekoče kovine med plastmi se je izkazala za manj učinkovito. V tem primeru je bilo mogoče odstraniti samo 1,8 kW z razliko 75 °C.
Podjetje ugotavlja, da mora biti toplotni upor čim nižji, vendar je v tem vidiku glavna ovira. Pri metodi DWC vse sloni na prehodu med silicijem in tekočino. V primeru ločenih plasti kristala je dodan še en prehod, ki ga najbolje obvlada plast OX.
Za ustvarjanje mikrokanalov v plasti silicija TSMC predlaga uporabo posebnega diamantnega rezalnika, ki ustvarja kanale s širino 200–210 mikronov in globino 400 mikronov. Debelina silicijeve plasti na 300 mm podlagah je 750 μm. Ta plast mora biti čim tanjša, da se olajša prenos toplote iz spodnje plasti. TSMC je izvedel številne teste z uporabo različnih vrst tubulov: usmerjenih in v obliki kvadratnih stebrov, to pomeni, da so tubuli izdelani v dveh pravokotnih smereh. Primerjava je bila narejena tudi s plastjo brez uporabe tubulov.
Produktivnost odvajanja toplotne moči s površine brez tubulov je bila nezadostna. Poleg tega se ne izboljša veliko niti s povečanjem pretoka hladilne tekočine. Kanali v dveh smereh (Square Pillar) dajejo najboljši rezultat, preprosti mikrokanali odvajajo opazno manj toplote. Prednost prvega pred drugim je 2-kratna.
TSMC verjame, da je neposredno tekočinsko hlajenje kristalov v prihodnosti čisto možno. Kovinski radiator ne bo več nameščen na čipu, tekočina bo prehajala neposredno skozi plast silicija in neposredno hladila kristal. Ta pristop bo omogočil odvajanje več kilovatov toplote iz čipa. Vendar bo trajalo nekaj časa, da se takšne rešitve pojavijo na trgu.
Preberite tudi:
- Japonski raziskovalci so odprli pot do nove generacije čipov
- Industrija čipov je nevarno odvisna od TSMC