Uzņēmuma speciālisti VLSI simpozija konferencē TSMC iepazīstināja ar savu redzējumu par šķidruma dzesēšanas sistēmas integrēšanu tieši mikroshēmā. Līdzīgs risinājums mikroshēmu dzesēšanai nākotnē varētu tikt pielietots, piemēram, datu centros, kur bieži vien ir jānoņem kilovati siltuma.
Pieaugot tranzistoru blīvumam mikroshēmu iekšpusē un izmantojot 3D izkārtojumu, kas apvieno vairākus slāņus, palielinās arī to efektīvas dzesēšanas sarežģītība. TSMC eksperti uzskata, ka nākotnē daudzsološi varētu būt risinājumi, saskaņā ar kuriem dzesēšanas šķidruma mikrokanāli tiks integrēti pašā mikroshēmā. Teorētiski tas izklausās interesanti, taču praksē šīs idejas īstenošana prasa milzīgus inženieru pūliņus.
TSMC mērķis ir izstrādāt šķidruma dzesēšanas sistēmu, kas spēj izkliedēt 10 vatus siltuma no kvadrātmilimetra procesora laukuma. Tādējādi šķeldum, kuru platība ir 500 mm² un vairāk, uzņēmuma mērķis ir noņemt 2 kW siltuma. Lai atrisinātu problēmu, TSMC piedāvāja vairākus veidus:
- DWC (Direct Water Cooling): šķidruma dzesēšanas mikrokanāli atrodas paša kristāla augšējā slānī
- Si vāks ar OX TIM: šķidruma dzesēšana tiek pievienota kā atsevišķs slānis ar mikrokanāliem, slānis ir savienots ar galveno kristālu caur OX (Silicon Oxide Fusion) kā termiskā saskarne Thermal Interface Material (TIM)
- Si vāks ar LMT: OX slāņa vietā izmantots šķidrais metāls
Katra metode tika pārbaudīta, izmantojot īpašu TTV (Thermal Test Vehicle) vara testa šūnu ar virsmas laukumu 540 mm² un kopējo kristāla laukumu 780 mm², kas aprīkots ar temperatūras sensoriem. TTV tika uzstādīts uz pamatnes, kas nodrošina strāvu. Šķidruma temperatūra ķēdē bija 25°C.
Pēc TSMC domām, visefektīvākā metode ir tiešā ūdens dzesēšana, tas ir, kad mikrokanāli atrodas pašā kristālā. Izmantojot šo metodi, uzņēmums spēja noņemt 2,6 kW siltuma. Temperatūras starpība bija 63°C. Izmantojot OX TIM metodi, tika atvēlēti 2,3 kW ar temperatūras starpību 83°C. Šķidrā metāla izmantošanas metode starp slāņiem izrādījās mazāk efektīva. Šajā gadījumā bija iespējams noņemt tikai 1,8 kW ar 75 ° C starpību.
Uzņēmums atzīmē, ka siltuma pretestībai jābūt pēc iespējas mazākai, taču tieši šajā aspektā ir redzams galvenais šķērslis. DWC metodei viss balstās uz pāreju starp silīciju un šķidrumu. Atsevišķu kristāla slāņu gadījumā tiek pievienota vēl viena pāreja, ar kuru vislabāk tiek galā OX slānis.
Lai izveidotu mikrokanālus silīcija slānī, TSMC iesaka izmantot īpašu dimanta griezēju, kas veido kanālus ar platumu 200-210 mikronu un 400 mikronu dziļumu. Silīcija slāņa biezums uz 300 mm pamatnēm ir 750 μm. Šim slānim jābūt pēc iespējas plānākam, lai atvieglotu siltuma pārnesi no apakšējā slāņa. TSMC veica vairākus testus, izmantojot dažāda veida caurules: virziena un kvadrātveida kolonnu veidā, tas ir, caurules ir izgatavotas divos perpendikulāros virzienos. Salīdzinājums tika veikts arī ar slāni, neizmantojot kanāliņus.
Siltumenerģijas izkliedēšanas produktivitāte no virsmas bez kanāliņiem bija nepietiekama. Turklāt tas īpaši neuzlabojas pat ar dzesēšanas šķidruma plūsmas palielināšanos. Kanāli divos virzienos (Square Pillar) dod vislabāko rezultātu, vienkārši mikrokanāli noņem ievērojami mazāk siltuma. Pirmo pārsvars pār otro ir 2 reizes.
TSMC uzskata, ka kristālu tieša dzesēšana ar šķidrumu nākotnē ir pilnīgi iespējama. Uz mikroshēmas vairs netiks uzstādīts metāla radiators, šķidrums izies tieši caur silīcija slāni, tieši atdzesējot kristālu. Šī pieeja ļaus no mikroshēmas noņemt vairākus kilovatus siltuma. Taču paies laiks, līdz šādi risinājumi parādīsies tirgū.
Lasi arī:
- Japānas pētnieki ir pavēruši ceļu jaunas paaudzes mikroshēmām
- Mikroshēmu nozare ir bīstami atkarīga no TSMC