Ειδικοί της εταιρείας στο συνέδριο VLSI Symposium TSMC παρουσίασαν το όραμά τους για την ενσωμάτωση ενός συστήματος υγρής ψύξης απευθείας στο τσιπ. Μια παρόμοια λύση για ψύξη μικροκυκλωμάτων μπορεί να βρει εφαρμογή στο μέλλον, για παράδειγμα, σε κέντρα δεδομένων, όπου συχνά χρειάζεται να αφαιρεθούν κιλοβάτ θερμότητας.
Με την αύξηση της πυκνότητας των τρανζίστορ μέσα στα τσιπ και τη χρήση 3D-layout που συνδυάζει πολλά στρώματα, αυξάνεται επίσης η πολυπλοκότητα της αποτελεσματικής ψύξης τους. Οι ειδικοί της TSMC πιστεύουν ότι στο μέλλον, οι λύσεις μπορεί να είναι ελπιδοφόρες, σύμφωνα με τις οποίες θα ενσωματωθούν μικροκανάλια ψυκτικού υγρού στο ίδιο το τσιπ. Ακούγεται ενδιαφέρον στη θεωρία, αλλά στην πράξη, η υλοποίηση αυτής της ιδέας απαιτεί τεράστιες προσπάθειες μηχανικής.
Στόχος της TSMC είναι να αναπτύξει ένα σύστημα υγρής ψύξης ικανό να διαχέει 10 watt θερμότητας από ένα τετραγωνικό χιλιοστό της επιφάνειας του επεξεργαστή. Έτσι, για τσιπς επιφάνειας 500 mm² και άνω, η εταιρεία στοχεύει να αφαιρέσει 2 kW θερμότητας. Για την επίλυση του προβλήματος, η TSMC προσέφερε διάφορους τρόπους:
- DWC (Direct Water Cooling): Τα μικροκανάλια υγρής ψύξης βρίσκονται στο ανώτερο στρώμα του ίδιου του κρυστάλλου
- Si Lid με OX TIM: προστίθεται υγρό ψύξη ως ξεχωριστό στρώμα με μικροκανάλια, το στρώμα συνδέεται με τον κύριο κρύσταλλο μέσω OX (Silicon Oxide Fusion) ως θερμική διεπαφή Υλικό θερμικής διεπαφής (TIM)
- Καπάκι Si με LMT: χρησιμοποιείται υγρό μέταλλο αντί για το στρώμα OX
Κάθε μέθοδος δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας μια ειδική κυψέλη δοκιμής χαλκού TTV (Thermal Test Vehicle) με επιφάνεια 540 mm² και συνολική επιφάνεια κρυστάλλου 780 mm², εξοπλισμένη με αισθητήρες θερμοκρασίας. Το TTV ήταν τοποθετημένο σε ένα υπόστρωμα που παρέχει ρεύμα. Η θερμοκρασία του ρευστού στο κύκλωμα ήταν 25°C.
Σύμφωνα με την TSMC, η πιο αποτελεσματική μέθοδος είναι η Direct Water Cooling, όταν δηλαδή τα μικροκανάλια βρίσκονται στον ίδιο τον κρύσταλλο. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η εταιρεία κατάφερε να αφαιρέσει 2,6 kW θερμότητας. Η διαφορά θερμοκρασίας ήταν 63°C. Στην περίπτωση χρήσης της μεθόδου OX TIM, κατανεμήθηκαν 2,3 kW με διαφορά θερμοκρασίας 83°C. Η μέθοδος χρήσης υγρού μετάλλου μεταξύ των στρωμάτων αποδείχθηκε λιγότερο αποτελεσματική. Σε αυτή την περίπτωση, ήταν δυνατή η αφαίρεση μόνο 1,8 kW με διαφορά 75°C.
Η εταιρεία σημειώνει ότι η θερμική αντίσταση θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερη, αλλά από αυτήν την άποψη φαίνεται το κύριο εμπόδιο. Για τη μέθοδο DWC, τα πάντα βασίζονται στη μετάβαση μεταξύ πυριτίου και υγρού. Στην περίπτωση χωριστών στρωμάτων του κρυστάλλου, προστίθεται μια ακόμη μετάβαση, η οποία αντιμετωπίζεται καλύτερα από το στρώμα OX.
Για τη δημιουργία μικροκαναλιών στο στρώμα πυριτίου, η TSMC προτείνει τη χρήση ενός ειδικού κόφτη διαμαντιών που δημιουργεί κανάλια με πλάτος 200-210 μικρά και βάθος 400 μικρά. Το πάχος της στρώσης πυριτίου σε υποστρώματα 300 mm είναι 750 μm. Αυτό το στρώμα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερο για να διευκολύνεται η μεταφορά θερμότητας από το κάτω στρώμα. Η TSMC διεξήγαγε έναν αριθμό δοκιμών χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους σωληναρίων: κατευθυντικές και με τη μορφή τετράγωνων στηλών, δηλαδή οι σωλήνες κατασκευάζονται σε δύο κάθετες κατευθύνσεις. Έγινε επίσης σύγκριση με ένα στρώμα χωρίς τη χρήση σωληναρίων.
Η παραγωγικότητα της διάχυσης της θερμικής ισχύος από μια επιφάνεια χωρίς σωλήνες ήταν ανεπαρκής. Επιπλέον, δεν βελτιώνεται πολύ ακόμη και με αύξηση της ροής του ψυκτικού. Τα κανάλια σε δύο κατευθύνσεις (Square Pillar) δίνουν το καλύτερο αποτέλεσμα, τα απλά μικροκανάλια αφαιρούν αισθητά λιγότερη θερμότητα. Το πλεονέκτημα του πρώτου έναντι του δεύτερου είναι 2 φορές.
Η TSMC πιστεύει ότι η άμεση υγρή ψύξη των κρυστάλλων είναι αρκετά δυνατή στο μέλλον. Ένα μεταλλικό καλοριφέρ δεν θα είναι πλέον εγκατεστημένο στο τσιπ, το υγρό θα περάσει απευθείας από το στρώμα πυριτίου, ψύχοντας απευθείας τον κρύσταλλο. Αυτή η προσέγγιση θα επιτρέψει την αφαίρεση πολλών κιλοβάτ θερμότητας από το τσιπ. Αλλά θα χρειαστεί χρόνος για να εμφανιστούν τέτοιες λύσεις στην αγορά.
Διαβάστε επίσης:
- Ιάπωνες ερευνητές άνοιξαν το δρόμο για μια νέα γενιά τσιπ
- Η βιομηχανία τσιπ εξαρτάται επικίνδυνα από την TSMC