Specialisti aziendali alla conferenza del Simposio VLSI TSMC hanno presentato la loro visione di integrare un sistema di raffreddamento a liquido direttamente nel chip. Una soluzione simile per il raffreddamento dei microcircuiti potrebbe trovare applicazione in futuro, ad esempio nei data center, dove spesso è necessario rimuovere i kilowatt di calore.
Con la crescita della densità dei transistor all'interno dei chip e l'uso del layout 3D che combina più strati, aumenta anche la complessità del loro raffreddamento effettivo. Gli esperti di TSMC ritengono che in futuro le soluzioni potrebbero essere promettenti, secondo cui i microcanali del liquido di raffreddamento saranno integrati nel chip stesso. Sembra interessante in teoria, ma in pratica l'implementazione di questa idea richiede enormi sforzi ingegneristici.
L'obiettivo di TSMC è sviluppare un sistema di raffreddamento a liquido in grado di dissipare 10 watt di calore da un millimetro quadrato di area del processore. Pertanto, per i chip con un'area di 500 mm² e oltre, l'azienda punta a rimuovere 2 kW di calore. Per risolvere il problema, TSMC ha offerto diversi modi:
- DWC (Direct Water Cooling): i microcanali di raffreddamento a liquido si trovano nello strato superiore del cristallo stesso
- Si Lid con OX TIM: il raffreddamento a liquido viene aggiunto come strato separato con microcanali, lo strato è collegato al cristallo principale tramite OX (Silicon Oxide Fusion) come interfaccia termica Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lid con LMT: al posto dello strato di OX viene utilizzato metallo liquido
Ciascun metodo è stato testato utilizzando una speciale cella di prova in rame TTV (Thermal Test Vehicle) con una superficie di 540 mm² e un'area cristallina totale di 780 mm², dotata di sensori di temperatura. Il TTV è stato montato su un substrato che fornisce energia. La temperatura del fluido nel circuito era di 25°C.
Secondo TSMC, il metodo più efficace è il raffreddamento ad acqua diretto, ovvero quando i microcanali si trovano nel cristallo stesso. Utilizzando questo metodo, l'azienda è stata in grado di rimuovere 2,6 kW di calore. La differenza di temperatura era di 63°C. Nel caso di utilizzo del metodo OX TIM sono stati allocati 2,3 kW con una differenza di temperatura di 83°C. Il metodo di utilizzo del metallo liquido tra gli strati si è rivelato meno efficace. In questo caso è stato possibile asportare solo 1,8 kW con una differenza di 75°C.
L'azienda rileva che la resistenza termica dovrebbe essere la più bassa possibile, ma è in questo aspetto che si vede l'ostacolo principale. Per il metodo DWC, tutto si basa sul passaggio tra silicio e liquido. Nel caso di strati separati del cristallo, viene aggiunta un'altra transizione, che viene gestita al meglio dallo strato OX.
Per creare microcanali nello strato di silicio, TSMC suggerisce di utilizzare una speciale fresa diamantata che crea canali con una larghezza di 200-210 micron e una profondità di 400 micron. Lo spessore dello strato di silicio su substrati da 300 mm è di 750 μm. Questo strato dovrebbe essere il più sottile possibile per facilitare il trasferimento di calore dallo strato inferiore. TSMC ha condotto una serie di test utilizzando diversi tipi di tubuli: direzionali e sotto forma di colonne quadrate, ovvero i tubuli sono realizzati in due direzioni perpendicolari. È stato anche effettuato un confronto con uno strato senza l'uso di tubuli.
La produttività di dissipare potenza termica da una superficie priva di tubuli era insufficiente. Inoltre, non migliora molto anche con un aumento del flusso del liquido di raffreddamento. I canali in due direzioni (pilastro quadrato) danno il miglior risultato, i semplici microcanali rimuovono notevolmente meno calore. Il vantaggio del primo rispetto al secondo è 2 volte.
TSMC ritiene che il raffreddamento a liquido diretto dei cristalli sia del tutto possibile in futuro. Sul chip non sarà più installato un radiatore metallico, il liquido passerà direttamente attraverso lo strato di silicio, raffreddando direttamente il cristallo. Questo approccio consentirà di rimuovere diversi kilowatt di calore dal chip. Ma ci vorrà del tempo prima che tali soluzioni appaiano sul mercato.
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