Specialiștii companiei la conferința Simpozionului VLSI TSMC și-au prezentat viziunea de a integra un sistem de răcire cu lichid direct în cip. O soluție similară pentru microcircuite de răcire poate găsi aplicație în viitor, de exemplu, în centrele de date, unde kilowați de căldură adesea trebuie îndepărtați.
Odată cu creșterea densității tranzistorilor din interiorul cipurilor și utilizarea unui aspect 3D care combină mai multe straturi, crește și complexitatea răcirii efective a acestora. Experții TSMC consideră că, în viitor, soluțiile pot fi promițătoare, conform cărora microcanale de lichid de răcire vor fi integrate în cipul în sine. Sună interesant în teorie, dar în practică, implementarea acestei idei necesită eforturi enorme de inginerie.
Scopul TSMC este de a dezvolta un sistem de răcire cu lichid capabil să disipeze 10 wați de căldură dintr-un milimetru pătrat de suprafață a procesorului. Astfel, pentru cipurile cu o suprafață de 500 mm² și mai mult, compania își propune să elimine 2 kW de căldură. Pentru a rezolva problema, TSMC a oferit mai multe moduri:
- DWC (Răcire directă cu apă): microcanale de răcire cu lichid sunt situate în stratul superior al cristalului însuși
- Capac Si cu OX TIM: răcirea lichidă este adăugată ca un strat separat cu microcanale, stratul este conectat la cristalul principal prin OX (Silicon Oxide Fusion) ca interfață termică Materialul de interfață termică (TIM)
- Capac Si cu LMT: se folosește metal lichid în locul stratului OX
Fiecare metodă a fost testată folosind o celulă specială de testare din cupru TTV (Thermal Test Vehicle) cu o suprafață de 540 mm² și o suprafață totală a cristalului de 780 mm², echipată cu senzori de temperatură. TTV-ul a fost montat pe un substrat care furnizează energie. Temperatura fluidului din circuit a fost de 25°C.
Potrivit TSMC, cea mai eficientă metodă este răcirea directă cu apă, adică atunci când microcanalele sunt situate în cristalul însuși. Folosind această metodă, compania a reușit să elimine 2,6 kW de căldură. Diferența de temperatură a fost de 63°C. În cazul utilizării metodei OX TIM s-au alocat 2,3 kW cu o diferență de temperatură de 83°C. Metoda de utilizare a metalului lichid între straturi s-a dovedit a fi mai puțin eficientă. În acest caz, a fost posibil să se elimine doar 1,8 kW cu o diferență de 75°C.
Compania noteaza ca rezistenta termica ar trebui sa fie cat mai mica, insa tocmai in acest aspect se vede principalul obstacol. Pentru metoda DWC, totul se bazează pe tranziția dintre siliciu și lichid. În cazul unor straturi separate ale cristalului, se adaugă încă o tranziție, care este cel mai bine gestionată de stratul OX.
Pentru a crea microcanale în stratul de siliciu, TSMC sugerează utilizarea unui tăietor diamant special care creează canale cu o lățime de 200-210 microni și o adâncime de 400 microni. Grosimea stratului de siliciu pe substraturi de 300 mm este de 750 μm. Acest strat trebuie să fie cât mai subțire posibil pentru a facilita transferul de căldură din stratul inferior. TSMC a efectuat o serie de teste folosind diferite tipuri de tubuli: direcționale și sub formă de coloane pătrate, adică tubulii sunt realizați în două direcții perpendiculare. S-a făcut și o comparație cu un strat fără utilizarea de tubuli.
Productivitatea disipării puterii termice de pe o suprafață fără tubuli a fost insuficientă. În plus, nu se îmbunătățește prea mult chiar și cu o creștere a debitului de lichid de răcire. Canalele în două direcții (Square Pillar) dau cel mai bun rezultat, microcanalele simple elimină semnificativ mai puțină căldură. Avantajul primului față de cel din urmă este de 2 ori.
TSMC consideră că răcirea lichidă directă a cristalelor este destul de posibilă în viitor. Pe cip nu va mai fi instalat un radiator metalic, lichidul va trece direct prin stratul de siliciu, racind direct cristalul. Această abordare va permite ca mai mulți kilowați de căldură să fie îndepărtați din cip. Dar va dura timp pentru ca astfel de soluții să apară pe piață.
Citeste si:
- Cercetătorii japonezi au deschis calea către o nouă generație de cipuri
- Industria cipurilor este periculos de dependentă de TSMC