Stručnjaci tvrtke na konferenciji VLSI Symposium TSMC predstavili su svoju viziju integracije sustava tekućeg hlađenja izravno u čip. Slično rješenje za hlađenje mikro krugova moglo bi naći primjenu u budućnosti, na primjer, u podatkovnim centrima, gdje je često potrebno ukloniti kilovate topline.
S porastom gustoće tranzistora unutar čipova i korištenjem 3D rasporeda koji kombinira nekoliko slojeva, povećava se i složenost njihovog učinkovitog hlađenja. Stručnjaci TSMC-a vjeruju da bi u budućnosti obećavajuća mogla biti rješenja prema kojima će mikrokanali tekućine za hlađenje biti integrirani u sam čip. U teoriji zvuči zanimljivo, ali u praksi implementacija ove ideje zahtijeva ogromne inženjerske napore.
Cilj TSMC-a je razviti sustav tekućeg hlađenja koji može raspršiti 10 vata topline s kvadratnog milimetra površine procesora. Stoga, za čipove s površinom od 500 mm² i više, tvrtka ima za cilj ukloniti 2 kW topline. Za rješavanje problema, TSMC je ponudio nekoliko načina:
- DWC (Direct Water Cooling): mikrokanali za tekuće hlađenje nalaze se u gornjem sloju samog kristala
- Si Lid s OX TIM-om: tekuće hlađenje je dodano kao zaseban sloj s mikrokanalima, sloj je povezan s glavnim kristalom putem OX-a (Silicon Oxide Fusion) kao toplinskog sučelja Thermal Interface Material (TIM)
- Sili poklopac s LMT: tekući metal se koristi umjesto OX sloja
Svaka metoda testirana je pomoću posebne bakrene ispitne ćelije TTV (Thermal Test Vehicle) s površinom od 540 mm² i ukupnom površinom kristala od 780 mm², opremljenom temperaturnim senzorima. TTV je montiran na podlogu koja opskrbljuje strujom. Temperatura fluida u krugu bila je 25°C.
Prema TSMC-u, najučinkovitija metoda je Direct Water Cooling, odnosno kada se mikrokanali nalaze u samom kristalu. Koristeći ovu metodu, tvrtka je uspjela ukloniti 2,6 kW topline. Temperaturna razlika je bila 63°C. U slučaju korištenja OX TIM metode dodijeljeno je 2,3 kW uz temperaturnu razliku od 83°C. Metoda korištenja tekućeg metala između slojeva pokazala se manje učinkovitom. U ovom slučaju bilo je moguće ukloniti samo 1,8 kW s razlikom od 75 °C.
Iz tvrtke napominju da toplinski otpor treba biti što je moguće manji, no upravo u tom aspektu vidi se glavna prepreka. Za DWC metodu sve počiva na prijelazu između silicija i tekućine. U slučaju zasebnih slojeva kristala, dodaje se još jedan prijelaz, koji najbolje podnosi OX sloj.
Za stvaranje mikrokanala u sloju silicija, TSMC predlaže korištenje posebnog dijamantnog rezača koji stvara kanale širine 200-210 mikrona i dubine 400 mikrona. Debljina sloja silicija na podlogama od 300 mm je 750 μm. Ovaj sloj treba biti što tanji kako bi se olakšao prijenos topline s donjeg sloja. TSMC je proveo niz testova koristeći različite vrste tubula: usmjerene i u obliku četvrtastih stupova, odnosno tubuli su napravljeni u dva okomita smjera. Usporedba je također napravljena sa slojem bez upotrebe tubula.
Produktivnost rasipanja toplinske energije s površine bez tubula bila je nedovoljna. Osim toga, ne poboljšava se mnogo čak ni s povećanjem protoka rashladnog sredstva. Kanali u dva smjera (Square Pillar) daju najbolji rezultat, jednostavni mikrokanali odvode znatno manje topline. Prednost prvog nad drugim je 2 puta.
TSMC vjeruje da je izravno hlađenje kristala tekućinom sasvim moguće u budućnosti. Metalni radijator više neće biti instaliran na čipu, tekućina će prolaziti izravno kroz sloj silicija, izravno hladeći kristal. Ovaj pristup će omogućiti uklanjanje nekoliko kilovata topline iz čipa. No trebat će vremena da se takva rješenja pojave na tržištu.
Pročitajte također:
- Japanski istraživači otvorili su put novoj generaciji čipova
- Industrija čipova opasno ovisi o TSMC-u