Bedriftsspesialister på VLSI Symposium-konferansen TSMC presenterte sin visjon om å integrere et væskekjølesystem direkte i brikken. En lignende løsning for kjøling av mikrokretser kan finne anvendelse i fremtiden, for eksempel i datasentre, hvor kilowatt varme ofte må fjernes.
Med veksten av tettheten av transistorer inne i brikkene og bruken av 3D-layout som kombinerer flere lag, øker også kompleksiteten til deres effektive kjøling. TSMC-eksperter tror at løsninger i fremtiden kan være lovende, ifølge hvilke kjølevæskemikrokanaler vil bli integrert i selve brikken. Det høres interessant ut i teorien, men i praksis krever implementeringen av denne ideen enorm ingeniørinnsats.
TSMCs mål er å utvikle et væskekjølesystem som er i stand til å spre 10 watt varme fra en kvadratmillimeter prosessorareal. Derfor, for flis med et areal på 500 mm² og mer, har selskapet som mål å fjerne 2 kW varme. For å løse problemet tilbød TSMC flere måter:
- DWC (Direct Water Cooling): væskekjølende mikrokanaler er plassert i det øvre laget av selve krystallen
- Si Lokk med OX TIM: væskekjøling legges til som et eget lag med mikrokanaler, laget er koblet til hovedkrystallen via OX (Silicon Oxide Fusion) som et termisk grensesnitt Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lokk med LMT: flytende metall brukes i stedet for OX-laget
Hver metode ble testet med en spesiell TTV (Thermal Test Vehicle) kobbertestcelle med et overflateareal på 540 mm² og et totalt krystallareal på 780 mm², utstyrt med temperatursensorer. TTV-en ble montert på et underlag som leverer strøm. Temperaturen på væsken i kretsen var 25°C.
I følge TSMC er den mest effektive metoden Direct Water Cooling, det vil si når mikrokanalene er plassert i selve krystallen. Ved å bruke denne metoden klarte selskapet å fjerne 2,6 kW varme. Temperaturforskjellen var 63°C. Ved bruk av OX TIM-metoden ble det tildelt 2,3 kW med en temperaturforskjell på 83°C. Metoden med å bruke flytende metall mellom lagene viste seg å være mindre effektiv. I dette tilfellet var det mulig å fjerne kun 1,8 kW med en forskjell på 75°C.
Selskapet bemerker at den termiske motstanden bør være så lav som mulig, men det er i dette aspektet man ser hovedhindringen. For DWC-metoden hviler alt på overgangen mellom silisium og væske. Ved separate lag av krystallen legges det til en overgang til, som best håndteres av OX-laget.
For å lage mikrokanaler i silisiumlaget foreslår TSMC å bruke en spesiell diamantkutter som lager kanaler med en bredde på 200-210 mikron og en dybde på 400 mikron. Tykkelsen på silisiumlaget på 300 mm underlag er 750 μm. Dette laget bør være så tynt som mulig for å lette varmeoverføringen fra det nedre laget. TSMC utførte en rekke tester med forskjellige typer tubuli: retningsbestemt og i form av kvadratiske søyler, det vil si at tubuli er laget i to vinkelrette retninger. Det ble også gjort en sammenligning med et lag uten bruk av tubuli.
Produktiviteten til å spre termisk kraft fra en overflate uten rør var utilstrekkelig. I tillegg forbedres det ikke mye selv med en økning i kjølevæskestrømmen. Kanaler i to retninger (Square Pillar) gir best resultat, enkle mikrokanaler fjerner betydelig mindre varme. Fordelen med førstnevnte over sistnevnte er 2 ganger.
TSMC mener at direkte væskekjøling av krystaller er fullt mulig i fremtiden. En metallradiator vil ikke lenger være installert på brikken, væsken vil passere direkte gjennom silisiumlaget og avkjøle krystallen direkte. Denne tilnærmingen vil tillate at flere kilowatt varme kan fjernes fra brikken. Men det vil ta tid før slike løsninger kommer på markedet.
Les også:
- Japanske forskere har åpnet veien for en ny generasjon chips
- Brikkeindustrien er farlig avhengig av TSMC