Firemní špecialisti na konferencii VLSI Symposium TSMC predstavili svoju víziu integrácie kvapalinového chladiaceho systému priamo do čipu. Podobné riešenie chladiacich mikroobvodov môže v budúcnosti nájsť uplatnenie napríklad v dátových centrách, kde treba často odoberať kilowatty tepla.
S rastom hustoty tranzistorov vo vnútri čipov a používaním 3D-layout kombinujúceho niekoľko vrstiev rastie aj náročnosť ich efektívneho chladenia. Experti TSMC sa domnievajú, že v budúcnosti môžu byť sľubné riešenia, podľa ktorých budú mikrokanály chladiacej kvapaliny integrované do samotného čipu. Teoreticky to znie zaujímavo, ale v praxi si realizácia tejto myšlienky vyžaduje obrovské inžinierske úsilie.
Cieľom TSMC je vyvinúť kvapalinový chladiaci systém schopný odviesť 10 wattov tepla zo štvorcového milimetra plochy procesora. Pri čipoch s plochou 500 mm² a viac je teda cieľom spoločnosti odobrať 2 kW tepla. Na vyriešenie problému spoločnosť TSMC ponúkla niekoľko spôsobov:
- DWC (Direct Water Cooling): kvapalinové chladiace mikrokanály sú umiestnené v hornej vrstve samotného kryštálu
- Si veko s OX TIM: chladenie kvapalinou je pridané ako samostatná vrstva s mikrokanálmi, vrstva je pripojená k hlavnému kryštálu cez OX (Silicon Oxide Fusion) ako tepelné rozhranie Thermal Interface Material (TIM)
- Si veko s LMT: namiesto vrstvy OX je použitý tekutý kov
Každá metóda bola testovaná pomocou špeciálnej medenej testovacej bunky TTV (Thermal Test Vehicle) s povrchom 540 mm² a celkovou plochou kryštálov 780 mm², ktorá je vybavená snímačmi teploty. TTV bol namontovaný na substráte, ktorý dodáva energiu. Teplota kvapaliny v okruhu bola 25°C.
Podľa TSMC je najúčinnejšou metódou priame chladenie vodou, teda keď sú mikrokanály umiestnené v samotnom kryštáli. Touto metódou spoločnosť dokázala odobrať 2,6 kW tepla. Teplotný rozdiel bol 63°C. V prípade použitia metódy OX TIM bolo pridelených 2,3 kW s teplotným rozdielom 83°C. Metóda použitia tekutého kovu medzi vrstvami sa ukázala ako menej účinná. V tomto prípade bolo možné odobrať len 1,8 kW s rozdielom 75°C.
Spoločnosť poznamenáva, že tepelný odpor by mal byť čo najnižší, no práve v tomto aspekte vidno hlavnú prekážku. Pri metóde DWC všetko spočíva na prechode medzi kremíkom a kvapalinou. V prípade oddelených vrstiev kryštálu sa pridáva ešte jeden prechod, ktorý najlepšie zvládne vrstva OX.
Na vytvorenie mikrokanálov v kremíkovej vrstve TSMC navrhuje použiť špeciálnu diamantovú frézu, ktorá vytvára kanály so šírkou 200-210 mikrónov a hĺbkou 400 mikrónov. Hrúbka kremíkovej vrstvy na 300 mm substrátoch je 750 μm. Táto vrstva by mala byť čo najtenšia, aby sa uľahčil prenos tepla zo spodnej vrstvy. TSMC vykonala množstvo testov s použitím rôznych typov tubulov: smerových a vo forme štvorcových stĺpcov, to znamená, že tubuly sú vyrobené v dvoch kolmých smeroch. Porovnanie bolo urobené aj s vrstvou bez použitia tubulov.
Produktivita odvádzania tepelnej energie z povrchu bez tubulov bola nedostatočná. Navyše sa veľmi nezlepšuje ani so zvýšením prietoku chladiacej kvapaliny. Kanály v dvoch smeroch (Square Pillar) poskytujú najlepší výsledok, jednoduché mikrokanály odvádzajú podstatne menej tepla. Výhoda prvého oproti druhému je 2-násobná.
TSMC verí, že priame chladenie kryštálov kvapalinou je v budúcnosti celkom možné. Na čip už nebude inštalovaný kovový žiarič, kvapalina bude prechádzať priamo cez kremíkovú vrstvu a priamo chladiť kryštál. Tento prístup umožní odobrať z čipu niekoľko kilowattov tepla. Kým sa však takéto riešenia objavia na trhu, potrvá to nejaký čas.
Prečítajte si tiež: