Virksomhedsspecialister ved VLSI Symposium-konferencen TSMC præsenterede deres vision om at integrere et væskekølesystem direkte i chippen. En lignende løsning til afkøling af mikrokredsløb kan finde anvendelse i fremtiden, for eksempel i datacentre, hvor kilowatt varme ofte skal fjernes.
Med væksten i tætheden af transistorer inde i chipsene og brugen af 3D-layout, der kombinerer flere lag, øges kompleksiteten af deres effektive køling også. TSMC-eksperter mener, at løsninger i fremtiden kan være lovende, ifølge hvilke kølevæskemikrokanaler vil blive integreret i selve chippen. Det lyder interessant i teorien, men i praksis kræver implementeringen af denne idé en enorm ingeniørmæssig indsats.
TSMC's mål er at udvikle et væskekølesystem, der er i stand til at sprede 10 watt varme fra en kvadratmillimeter processorareal. For spåner med et areal på 500 mm² og mere sigter virksomheden således mod at fjerne 2 kW varme. For at løse problemet tilbød TSMC flere måder:
- DWC (Direct Water Cooling): væskekølende mikrokanaler er placeret i det øverste lag af selve krystallen
- Si Låg med OX TIM: væskekøling tilføjes som et separat lag med mikrokanaler, laget er forbundet til hovedkrystallen via OX (Silicon Oxide Fusion) som et termisk interface Thermal Interface Material (TIM)
- Si Låg med LMT: flydende metal anvendes i stedet for OX-laget
Hver metode blev testet ved hjælp af en speciel TTV (Thermal Test Vehicle) kobbertestcelle med et overfladeareal på 540 mm² og et samlet krystalareal på 780 mm², udstyret med temperatursensorer. TTV'et blev monteret på et underlag, der leverer strøm. Temperaturen af væsken i kredsløbet var 25°C.
Ifølge TSMC er den mest effektive metode Direct Water Cooling, det vil sige, når mikrokanalerne er placeret i selve krystallen. Ved hjælp af denne metode var virksomheden i stand til at fjerne 2,6 kW varme. Temperaturforskellen var 63°C. Ved anvendelse af OX TIM-metoden blev der tildelt 2,3 kW med en temperaturforskel på 83°C. Metoden med at bruge flydende metal mellem lagene viste sig at være mindre effektiv. I dette tilfælde var det kun muligt at fjerne 1,8 kW med en forskel på 75°C.
Virksomheden bemærker, at den termiske modstand skal være så lav som muligt, men det er i dette aspekt, at den største hindring ses. For DWC-metoden hviler alt på overgangen mellem silicium og væske. I tilfælde af separate lag af krystallen tilføjes en overgang mere, som bedst håndteres af OX-laget.
For at skabe mikrokanaler i siliciumlaget foreslår TSMC at bruge en speciel diamantskærer, der skaber kanaler med en bredde på 200-210 mikron og en dybde på 400 mikron. Tykkelsen af siliciumlaget på 300 mm underlag er 750 μm. Dette lag skal være så tyndt som muligt for at lette varmeoverførslen fra det nederste lag. TSMC udførte en række tests ved hjælp af forskellige typer tubuli: retningsbestemte og i form af kvadratiske søjler, det vil sige, at tubuli er lavet i to vinkelrette retninger. Der blev også foretaget en sammenligning med et lag uden brug af tubuli.
Produktiviteten af at sprede termisk energi fra en overflade uden tubuli var utilstrækkelig. Derudover forbedres det ikke meget, selv med en stigning i kølevæskestrømmen. Kanaler i to retninger (Square Pillar) giver det bedste resultat, simple mikrokanaler fjerner mærkbart mindre varme. Fordelen ved førstnævnte i forhold til sidstnævnte er 2 gange.
TSMC mener, at direkte væskekøling af krystaller er ganske mulig i fremtiden. En metalradiator vil ikke længere være installeret på chippen, væsken vil passere direkte gennem siliciumlaget og afkøle krystallen direkte. Denne tilgang vil tillade flere kilowatt varme at blive fjernet fra chippen. Men det vil tage tid, før sådanne løsninger kommer på markedet.
Læs også:
- Japanske forskere har åbnet vejen for en ny generation af chips
- Chipindustrien er farligt afhængig af TSMC