Специалисти на компанията на конференцията VLSI Symposium TSMC представиха своята визия за интегриране на система за течно охлаждане директно в чипа. Подобно решение за охлаждане на микросхеми може да намери приложение в бъдеще, например в центрове за данни, където често трябва да се отделят киловати топлина.
С нарастването на плътността на транзисторите вътре в чиповете и използването на 3D оформление, комбиниращо няколко слоя, сложността на тяхното ефективно охлаждане също се увеличава. Експертите на TSMC смятат, че в бъдеще може да са обещаващи решения, според които микроканали за охлаждаща течност ще бъдат интегрирани в самия чип. На теория звучи интересно, но на практика реализацията на тази идея изисква огромни инженерни усилия.
Целта на TSMC е да разработи система за течно охлаждане, способна да разсейва 10 вата топлина от квадратен милиметър площ на процесора. По този начин, за чипове с площ от 500 mm² и повече, компанията цели да премахне 2 kW топлина. За да разреши проблема, TSMC предложи няколко начина:
- DWC (директно водно охлаждане): микроканали за течно охлаждане са разположени в горния слой на самия кристал
- Si Lid с OX TIM: течно охлаждане се добавя като отделен слой с микроканали, слоят е свързан към основния кристал чрез OX (Silicon Oxide Fusion) като термичен интерфейс Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lid с LMT: течен метал се използва вместо OX слой
Всеки метод беше тестван с помощта на специална TTV (Thermal Test Vehicle) медна тестова клетка с повърхностна площ от 540 mm² и обща кристална площ от 780 mm², оборудвана с температурни сензори. TTV беше монтиран върху субстрат, който доставя захранване. Температурата на флуида във веригата беше 25°C.
Според TSMC най-ефективният метод е директното водно охлаждане, тоест когато микроканалите са разположени в самия кристал. Използвайки този метод, компанията успя да премахне 2,6 kW топлина. Температурната разлика беше 63°C. В случай на използване на метода OX TIM бяха разпределени 2,3 kW с температурна разлика от 83°C. Методът за използване на течен метал между слоевете се оказа по-малко ефективен. В този случай е възможно да се премахнат само 1,8 kW с разлика от 75°C.
Компанията отбелязва, че термичното съпротивление трябва да бъде възможно най-ниско, но именно в този аспект се вижда основната пречка. За метода DWC всичко опира до прехода между силиций и течност. В случай на отделни слоеве на кристала се добавя още един преход, който се справя най-добре от OX слоя.
За да се създадат микроканали в силициевия слой, TSMC предлага да се използва специален диамантен нож, който създава канали с ширина 200-210 микрона и дълбочина 400 микрона. Дебелината на силициевия слой върху 300 mm субстрати е 750 μm. Този слой трябва да е възможно най-тънък, за да се улесни преносът на топлина от долния слой. TSMC проведе редица тестове, използвайки различни видове тубули: насочени и под формата на квадратни колони, т.е. тубулите са направени в две перпендикулярни посоки. Направено е и сравнение със слой без използване на тубули.
Производителността на разсейване на топлинна енергия от повърхност без тубули беше недостатъчна. Освен това не се подобрява много дори при увеличаване на потока на охлаждащата течност. Каналите в две посоки (Square Pillar) дават най-добър резултат, обикновените микроканали премахват значително по-малко топлина. Предимството на първите пред вторите е 2 пъти.
TSMC вярва, че директното течно охлаждане на кристалите е напълно възможно в бъдеще. Метален радиатор вече няма да бъде инсталиран на чипа, течността ще преминава директно през силициевия слой, като директно охлажда кристала. Този подход ще позволи отделянето на няколко киловата топлина от чипа. Но ще отнеме време, за да се появят такива решения на пазара.
Прочетете също:
- Японски изследователи отвориха пътя към ново поколение чипове
- Индустрията на чиповете е опасно зависима от TSMC