Firemní specialisté na konferenci VLSI Symposium TSMC představili svou vizi integrace systému kapalinového chlazení přímo do čipu. Podobné řešení chlazení mikroobvodů může v budoucnu najít uplatnění například v datových centrech, kde je často potřeba odvádět kilowatty tepla.
S růstem hustoty tranzistorů uvnitř čipů a používáním 3D-layout kombinujícího několik vrstev roste i náročnost jejich efektivního chlazení. Experti TSMC se domnívají, že do budoucna mohou být slibná řešení, podle kterých budou mikrokanály chladicí kapaliny integrovány do samotného čipu. Teoreticky to zní zajímavě, ale v praxi vyžaduje realizace této myšlenky obrovské inženýrské úsilí.
Cílem TSMC je vyvinout kapalinový chladicí systém schopný odvést 10 wattů tepla z čtverečního milimetru plochy procesoru. U čipů o ploše 500 mm² a více je tedy cílem společnosti odebrat 2 kW tepla. K vyřešení problému společnost TSMC nabídla několik způsobů:
- DWC (Direct Water Cooling): kapalinové chladicí mikrokanály jsou umístěny v horní vrstvě samotného krystalu
- Si víko s OX TIM: kapalinové chlazení je přidáno jako samostatná vrstva s mikrokanály, vrstva je připojena k hlavnímu krystalu přes OX (Silicon Oxide Fusion) jako tepelné rozhraní Thermal Interface Material (TIM)
- Si Víko s LMT: místo vrstvy OX je použit tekutý kov
Každá metoda byla testována pomocí speciální měděné testovací buňky TTV (Thermal Test Vehicle) s povrchem 540 mm² a celkovou plochou krystalů 780 mm², vybavené teplotními senzory. TTV byl namontován na substrát, který dodává energii. Teplota kapaliny v okruhu byla 25°C.
Podle TSMC je nejúčinnější metodou přímé chlazení vodou, tedy když jsou mikrokanálky umístěny v samotném krystalu. Touto metodou byla společnost schopna odebrat 2,6 kW tepla. Rozdíl teplot byl 63°C. V případě použití metody OX TIM bylo přiděleno 2,3 kW s teplotním rozdílem 83°C. Metoda použití tekutého kovu mezi vrstvami se ukázala jako méně účinná. V tomto případě bylo možné odebrat pouze 1,8 kW s rozdílem 75°C.
Společnost poznamenává, že tepelný odpor by měl být co nejnižší, ale právě v tomto aspektu je vidět hlavní překážka. U metody DWC vše spočívá na přechodu mezi křemíkem a kapalinou. V případě samostatných vrstev krystalu se přidává ještě jeden přechod, který nejlépe zvládá vrstva OX.
Pro vytvoření mikrokanálků v křemíkové vrstvě navrhuje TSMC použít speciální diamantovou frézu, která vytvoří kanály o šířce 200-210 mikronů a hloubce 400 mikronů. Tloušťka křemíkové vrstvy na 300 mm substrátech je 750 μm. Tato vrstva by měla být co nejtenčí, aby se usnadnil přenos tepla ze spodní vrstvy. TSMC provedla řadu testů s použitím různých typů tubulů: směrových a ve formě čtvercových sloupců, to znamená, že tubuly jsou vyrobeny ve dvou na sebe kolmých směrech. Bylo také provedeno srovnání s vrstvou bez použití tubulů.
Produktivita odvádění tepelné energie z povrchu bez tubulů byla nedostatečná. Navíc se to moc nezlepší ani se zvýšením průtoku chladicí kapaliny. Kanály ve dvou směrech (Square Pillar) poskytují nejlepší výsledek, jednoduché mikrokanály odvádějí podstatně méně tepla. Výhoda prvního oproti druhému je 2krát.
TSMC věří, že přímé chlazení krystalů kapalinou je v budoucnu docela možné. Na čip již nebude instalován kovový radiátor, kapalina bude procházet přímo vrstvou křemíku a přímo ochlazovat krystal. Tento přístup umožní odstranit z čipu několik kilowattů tepla. Než se ale taková řešení objeví na trhu, bude to chvíli trvat.
Přečtěte si také: