Företagsspecialister på VLSI Symposium-konferensen TSMC presenterade sin vision om att integrera ett vätskekylningssystem direkt i chipet. En liknande lösning för kylning av mikrokretsar kan komma att användas i framtiden, till exempel i datacenter, där kilowatt värme ofta behöver tas bort.
Med tillväxten av tätheten av transistorer inuti chipsen och användningen av 3D-layout som kombinerar flera lager, ökar komplexiteten i deras effektiva kylning också. TSMC-experter tror att lösningar i framtiden kan vara lovande, enligt vilka kylvätskemikrokanaler kommer att integreras i själva chippet. Det låter intressant i teorin, men i praktiken kräver implementeringen av denna idé enorma ingenjörsinsatser.
TSMC:s mål är att utveckla ett vätskekylningssystem som kan avleda 10 watt värme från en kvadratmillimeter processoryta. Således, för flis med en yta på 500 mm² och mer, siktar företaget på att ta bort 2 kW värme. För att lösa problemet erbjöd TSMC flera sätt:
- DWC (Direct Water Cooling): vätskekylningsmikrokanaler finns i det övre lagret av själva kristallen
- Si Lock med OX TIM: vätskekylning läggs till som ett separat lager med mikrokanaler, lagret är anslutet till huvudkristallen via OX (Silicon Oxide Fusion) som ett termiskt gränssnitt Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lock med LMT: flytande metall används istället för OX-skiktet
Varje metod testades med en speciell TTV (Thermal Test Vehicle) koppartestcell med en yta på 540 mm² och en total kristallyta på 780 mm², utrustad med temperatursensorer. TTV:n monterades på ett substrat som levererar ström. Temperaturen på vätskan i kretsen var 25°C.
Enligt TSMC är den mest effektiva metoden Direct Water Cooling, det vill säga när mikrokanalerna finns i själva kristallen. Med denna metod kunde företaget ta bort 2,6 kW värme. Temperaturskillnaden var 63°C. Vid användning av OX TIM-metoden tilldelades 2,3 kW med en temperaturskillnad på 83°C. Metoden att använda flytande metall mellan skikten visade sig vara mindre effektiv. I detta fall var det möjligt att ta bort endast 1,8 kW med en skillnad på 75°C.
Företaget noterar att det termiska motståndet ska vara så lågt som möjligt, men det är i denna aspekt som det främsta hindret ses. För DWC-metoden vilar allt på övergången mellan kisel och vätska. I fallet med separata lager av kristallen tillsätts ytterligare en övergång, som bäst hanteras av OX-skiktet.
För att skapa mikrokanaler i kiselskiktet föreslår TSMC att man använder en speciell diamantskärare som skapar kanaler med en bredd på 200-210 mikron och ett djup på 400 mikron. Tjockleken på kiselskiktet på 300 mm substrat är 750 μm. Detta skikt bör vara så tunt som möjligt för att underlätta värmeöverföringen från det undre skiktet. TSMC genomförde ett antal tester med olika typer av tubuli: riktade och i form av kvadratiska kolumner, det vill säga tubuli är gjorda i två vinkelräta riktningar. En jämförelse gjordes också med ett lager utan användning av tubuli.
Produktiviteten för att avleda värmekraft från en yta utan tubuli var otillräcklig. Dessutom förbättras det inte mycket även med en ökning av kylvätskeflödet. Kanaler i två riktningar (Square Pillar) ger bäst resultat, enkla mikrokanaler tar bort betydligt mindre värme. Fördelen med den förra över den senare är 2 gånger.
TSMC tror att direkt vätskekylning av kristaller är fullt möjlig i framtiden. En metallradiator kommer inte längre att installeras på chipet, vätskan kommer att passera direkt genom kiselskiktet och kyler kristallen direkt. Detta tillvägagångssätt gör att flera kilowatt värme kan avlägsnas från chipet. Men det kommer att ta tid för sådana lösningar att dyka upp på marknaden.
Läs också:
- Japanska forskare har öppnat vägen för en ny generation chips
- Chipindustrin är farligt beroende av TSMC