Specijalisti kompanije na konferenciji VLSI Symposium TSMC predstavili su svoju viziju integracije tečnog sistema hlađenja direktno 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.
Sa porastom gustine tranzistora unutar čipova i upotrebom 3D rasporeda koji kombinuje nekoliko slojeva, povećava se i složenost njihovog efektivnog hlađenja. Stručnjaci TSMC-a vjeruju da bi u budućnosti mogla biti obećavajuća rješenja prema kojima će mikrokanali rashladne tekućine biti integrirani u sam čip. U teoriji zvuči zanimljivo, ali u praksi implementacija ove ideje zahtijeva ogromne inženjerske napore.
Cilj TSMC-a je da razvije tekući sistem hlađenja koji bi mogao da odvede 10 vati toplote sa kvadratnog milimetra površine procesora. Dakle, za čipove površine 500 mm² i više, kompanija ima za cilj da ukloni 2 kW topline. Kako bi riješio problem, TSMC je ponudio nekoliko načina:
- DWC (Direct Water Cooling): mikrokanali za hlađenje tekućinom nalaze se u gornjem sloju samog kristala
- Si poklopac sa OX TIM-om: tečno hlađenje se dodaje kao poseban sloj sa mikrokanalima, sloj je povezan sa glavnim kristalom preko OX-a (Silicon Oxide Fusion) kao termičkog interfejsa Thermal Interface Material (TIM)
- Si poklopac sa LMT: tečni metal se koristi umjesto OX sloja
Svaka metoda je testirana pomoću posebne bakrene testne ćelije TTV (Thermal Test Vehicle) površine 540 mm² i ukupne površine kristala od 780 mm², opremljene temperaturnim senzorima. TTV je postavljen na podlogu koja napaja struju. Temperatura fluida u krugu bila je 25°C.
Prema TSMC-u, najefikasnija metoda je direktno hlađenje vodom, odnosno kada se mikrokanali nalaze u samom kristalu. Koristeći ovu metodu, kompanija je uspjela ukloniti 2,6 kW topline. Temperaturna razlika je bila 63°C. U slučaju korištenja OX TIM metode, dodijeljeno je 2,3 kW sa temperaturnom razlikom od 83°C. Metoda upotrebe tečnog metala između slojeva pokazala se manje efikasnom. U ovom slučaju bilo je moguće ukloniti samo 1,8 kW s razlikom od 75°C.
Iz kompanije napominju da bi termički otpor trebao biti što manji, ali se upravo u tom aspektu vidi glavna prepreka. Kod DWC metode sve počiva na prijelazu između silicija i tekućine. U slučaju odvojenih slojeva kristala, dodaje se još jedan prijelaz, koji se najbolje nosi sa OX slojem.
Za stvaranje mikrokanala u silikonskom sloju, TSMC predlaže korištenje posebnog dijamantskog rezača koji stvara kanale širine 200-210 mikrona i dubine od 400 mikrona. Debljina silikonskog sloja na podlozi od 300 mm je 750 μm. Ovaj sloj treba biti što tanji kako bi se olakšao prijenos topline iz donjeg sloja. TSMC je proveo niz testova koristeći različite vrste tubula: usmjerene i u obliku četvrtastih stupova, odnosno tubule su napravljene u dva okomita smjera. Takođe je napravljeno poređenje sa slojem bez upotrebe tubula.
Produktivnost disipacije toplotne energije sa površine bez tubula bila je nedovoljna. Osim toga, ne poboljšava se mnogo čak ni s povećanjem protoka rashladne tekućine. Kanali u dva smjera (kvadratni stup) daju najbolji rezultat, jednostavni mikrokanali uklanjaju primjetno manje topline. Prednost prvih u odnosu na druge je 2 puta.
TSMC vjeruje da je direktno tekuće hlađenje kristala sasvim moguće u budućnosti. Metalni radijator više neće biti instaliran na čipu, tečnost će proći direktno kroz silicijumski sloj, direktno hladeći kristal. Ovaj pristup će omogućiti da se nekoliko kilovata topline ukloni iz čipa. Ali 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