На конференції VLSI Symposium фахівці компанії TSMC представили своє бачення інтеграції рідинної системи охолодження безпосередньо в чип. Подібне рішення для охолодження мікросхем може знайти застосування в майбутньому, наприклад, в складі дата-центрів, де нерідко потрібно відводити кіловати тепла.
З ростом щільності транзисторів всередині чипів і використанням 3D-компонування, що об’єднує кілька шарів, збільшується і складність їх ефективного охолодження. Експерти TSMC вважають, що в майбутньому можуть виявитися перспективними рішення, згідно з яким охолоджуючі рідинні мікроканали інтегруватимуться в сам чип. У теорії звучить цікаво, але на практиці реалізація цієї ідеї вимагає величезних інженерних зусиль.
Мета TSMC полягає в розробці рідинної системи охолодження, здатної відводити 10 Вт тепла від квадратного міліметра площі процесора. Таким чином, у чипів з площею 500 мм² і більше компанія націлена на відведення 2 кВт тепла. Для розв’язання питання TSMC запропонувала кілька способів:
- DWC (Direct Water Cooling): мікроканальці рідинного охолодження розташовані в верхньому шарі самого кристала
- Si Lid with OX TIM: рідинне охолодження додається як окремий шар з мікроканальцями, з основним кристалом шар стикується через OX (Silicon Oxide Fusion) в якості теплопередавального інтерфейсу Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lid with LMT: замість шару OX використовується рідкий метал
Для перевірки кожного методу використовувався спеціальний тестовий мідний елемент TTV (Thermal Test Vehicle) з площею поверхні 540 мм² і загальною площею кристала 780 мм², оснащений датчиками температури. TTV встановлювався на підкладку, яка подає живлення. Температура рідини в контурі становила 25°C.
За словами TSMC, найефективнішим методом є Direct Water Cooling, тобто коли міроканальці розташовані в самому кристалі. При використанні цього методу компанія змогла домогтися відведення 2,6 кВт тепла. Різниця по температурі склала 63°C. У разі використання методу OX TIM було відведено 2,3 кВт з різницею по температурі 83°C. Менш ефективно показав себе метод використання рідкого металу між шарами. У цьому випадку вдалося відводити всього 1,8 кВт з різницею 75°C.
Компанія відзначає, що тепловий опір має бути якомога нижче, але саме в цьому аспекті бачиться основна перешкода. Для методу DWC все впирається в перехід між кремнієм і рідиною. У разі ж роздільних шарів кристалу додається ще один перехід, з яким найкраще справляється шар OX.
Для створення мікроканалів в шарі кремнію TSMC пропонує використовувати спеціальну алмазну фрезу, яка створює канальці шириною 200-210 мкм і глибиною 400 мкм. Товщина шару кремнію на 300 мм підкладках становить 750 мкм. Цей шар повинен бути як можна тонше, щоб полегшувати передачу тепла від нижнього шару. TSMC провела ряд випробувань з використанням різних видів канальців: спрямованих і у вигляді квадратних колон, тобто канальці пророблені у двох перпендикулярних напрямках. Також проводилося порівняння і з шаром без використання канальців.
Продуктивність розсіювання теплової потужності з поверхні без канальців виявилася недостатньою. Крім того, вона не сильно поліпшується і при збільшенні потоку охолоджуючої рідини. Канальці у двох напрямках (Square Pillar) дають найкращий результат, прості мікроканальці відводять помітно менше тепла. Перевага перших над другими – у 2 рази.
TSMC вважає, що в майбутньому цілком можливе пряме рідинне охолодження кристалів. На чип більше не буде встановлюватися металевий радіатор, рідина буде проходити безпосередньо через шар кремнію, безпосередньо охолоджуючи кристал. Такий підхід дозволить відводити від чипа кілька кіловат тепла. Але для появи подібних рішень на ринку буде потрібен час.
Читайте також:
- Японські дослідники відкрили шлях до чипів нового покоління
- Індустрія виробництва чипів небезпечно залежить від TSMC