A cég szakemberei a VLSI Symposium konferencián TSMC bemutatták víziójukat a folyékony hűtőrendszer közvetlenül a chipbe történő integrálásáról. A mikroáramkörök hűtésére is hasonló megoldást találhatnak a jövőben, például adatközpontokban, ahol gyakran kilowatt hőmennyiséget kell eltávolítani.
A chipeken belüli tranzisztorok sűrűségének növekedésével és a több réteget kombináló 3D-elrendezés alkalmazásával a hatékony hűtésük bonyolultsága is megnő. A TSMC szakemberei úgy vélik, hogy a jövőben ígéretesek lehetnek azok a megoldások, amelyek szerint magába a chipbe integrálják a hűtőfolyadék mikrocsatornákat. Elméletben érdekesen hangzik, de a gyakorlatban ennek az ötletnek a megvalósítása óriási mérnöki erőfeszítéseket igényel.
A TSMC célja egy olyan folyadékhűtő rendszer kifejlesztése, amely 10 watt hőt képes elvezetni egy négyzetmilliméteres processzorfelületről. Így az 500 mm² és nagyobb területű forgácsok esetében a vállalat 2 kW hő eltávolítására törekszik. A probléma megoldására a TSMC több módszert is kínált:
- DWC (Direct Water Cooling): folyadékhűtő mikrocsatornák a kristály felső rétegében találhatók
- Si fedél OX TIM-mel: a folyadékhűtés külön rétegként van hozzáadva mikrocsatornákkal, a réteg OX-n (Silicon Oxide Fusion) keresztül csatlakozik a fő kristályhoz, mint termikus interfész, Thermal Interface Material (TIM)
- Si fedél LMT-vel: folyékony fémet használnak az OX réteg helyett
Mindegyik módszert egy speciális TTV (Thermal Test Vehicle) réz tesztcellával tesztelték, amelynek felülete 540 mm² és teljes kristályfelülete 780 mm², és hőmérséklet-érzékelőkkel van felszerelve. A TTV-t tápellátást biztosító hordozóra szerelték fel. A folyadék hőmérséklete a körben 25°C volt.
A TSMC szerint a leghatékonyabb módszer a Direct Water Cooling, vagyis amikor a mikrocsatornák magában a kristályban helyezkednek el. Ezzel a módszerrel a cég 2,6 kW hőt tudott eltávolítani. A hőmérsékletkülönbség 63°C volt. Az OX TIM módszer alkalmazása esetén 2,3 kW-ot osztottak ki 83°C-os hőmérséklet-különbséggel. Kevésbé bizonyult hatékonynak az a módszer, hogy a rétegek között folyékony fémet alkalmaztak. Ebben az esetben mindössze 1,8 kW-ot lehetett eltávolítani 75°C-os eltéréssel.
A cég megjegyzi, hogy a hőellenállásnak a lehető legalacsonyabbnak kell lennie, de ez a fő akadály ebben a tekintetben. A DWC módszernél minden a szilícium és a folyadék közötti átmeneten múlik. A kristály különálló rétegei esetén még egy átmenetet adunk hozzá, amit a legjobban az OX réteg kezel.
Mikrocsatornák létrehozásához a szilíciumrétegben a TSMC egy speciális gyémántvágó használatát javasolja, amely 200-210 mikron széles és 400 mikron mélységű csatornákat hoz létre. A szilíciumréteg vastagsága 300 mm-es alapfelületeken 750 μm. Ennek a rétegnek a lehető legvékonyabbnak kell lennie, hogy megkönnyítse a hőátadást az alsó rétegből. A TSMC számos vizsgálatot végzett különböző típusú tubulusok felhasználásával: irányított és négyzet alakú oszlopok formájában, vagyis a tubulusok két merőleges irányban készültek. Összehasonlítás történt tubulusok nélküli réteggel is.
A cső nélküli felületről a hőenergia disszipációjának termelékenysége nem volt elegendő. Ráadásul nem sokat javul még a hűtőfolyadék-áramlás növekedésével sem. A kétirányú csatornák (Square Pillar) adják a legjobb eredményt, az egyszerű mikrocsatornák lényegesen kevesebb hőt vonnak el. Előbbi előnye az utóbbival szemben 2-szeres.
A TSMC úgy véli, hogy a kristályok közvetlen folyadékhűtése a jövőben teljesen lehetséges. A chipre már nem szerelnek fel fém radiátort, a folyadék közvetlenül áthalad a szilíciumrétegen, közvetlenül lehűtve a kristályt. Ez a megközelítés lehetővé teszi több kilowatt hő eltávolítását a chipből. De időbe telik, amíg az ilyen megoldások megjelennek a piacon.
Olvassa el még:
- Japán kutatók megnyitották az utat a chipek új generációja előtt
- A chipipar veszélyesen függ a TSMC-től