TSMC предложила интегрировать жидкостное охлаждение непосредственно в чипы

На конференции VLSI Symposium специалисты компании TSMC представили своё видение интеграции жидкостной системы охлаждения непосредственно в чип, пишет портал Hardwareluxx. Подобное решение для охлаждения микросхем может найти применение в будущем, например, в составе дата-центров, где нередко требуется отводить киловатты тепла.

Источник изображения: Tom\'s Hardware

С ростом плотности транзисторов внутри чипов и использованием 3D-компоновки, объединяющей несколько слоёв, увеличивается и сложность их эффективного охлаждения. Эксперты TSMC считают, что в будущем могут оказаться перспективными решения, согласно которым охлаждающие жидкостные микроканальцы будут интегрироваться в сам чип. В теории звучит интересно, но на практике реализация этой идеи потребует огромных инженерных усилий.

Источник изображений: TSMC

Современные системы жидкостного охлаждения для серверного сегмента обычно используют два вида СЖО. Это либо прямой контакт жидкости с теплораспределительной крышкой процессора, либо полное погружение системы в непроводящую ток жидкость. Минусы первого решения связаны с особенностью строения современных процессоров. Они состоят из нескольких слоёв и подобное СЖО способно эффективно отводить тепло только от того слоя чипа, с которым непосредственно контактирует охлаждающая жидкость. Нижним слоям чипа в свою очередь будет сложнее рассеивать тепловую мощность. Сложность ещё и в том, что на контактный слой в таком случае оказывается дополнительная нагрузка, поскольку через него проходит всё тепло других слоёв чипа. Что касается второго метода, то он эффективен, но в большинстве случаев экономически не оправдан.

Цель TSMC заключается в разработке жидкостной системы охлаждения, способной отводить 10 Вт тепла от квадратного миллиметра площади процессора. Таким образом, у чипов с площадью 500 мм? и больше компания нацелена на отведение 2 кВт тепла. Для решения вопроса TSMC предложила несколько способов:

• DWC (Direct Water Cooling): микроканальцы жидкостного охлаждения проделаны в верхнем слое самого кристалла;
• Si Lid with OX TIM: жидкостное охлаждение добавляется как отдельный слой с микроканальцами, с основным кристаллом слой стыкуется через OX (Silicon Oxide Fusion) в качестве теплопередающего интерфейса Thermal Interface Material (TIM);
• Si Lid with LMT: вместо слоя OX используется жидкий металл.

Для проверки каждого метода использовался специальный тестовый медный элемент TTV (Thermal Test Vehicle) с площадью поверхности 540 мм? и общей площадью кристалла 780 мм?, оснащённый датчиками температуры. TTV устанавливался на подложку, которая подаёт питание. Температура жидкости в контуре составляла 25 °C.

По словам TSMC, наиболее эффективным методом является Direct Water Cooling, то есть когда мироканальцы расположены в самом кристалле. При использовании этого метода компания смогла добиться отведения 2,6 кВт тепла. Разница по температуре составила 63 °C. В случае использования метода OX TIM было отведено 2,3 кВт с разницей по температуре 83 °C. Менее эффективно показал себя метод использования жидкого металла между слоями. В этом случае удалось отводить всего 1,8 кВт с разницей 75 °C. TSMC также тестировала два потока жидкости: 2 л в минуту и 5,8 л в минуту. Приведённая выше информация верна для 5,8 л в минуту, поскольку слабый поток уже не имел смысла на практике.

Компания отмечает, что тепловое сопротивление должно быть как можно ниже, но именно в этом аспекте видится основное препятствие. Для метода DWC все упирается в переход между кремнием и жидкостью. В случае же раздельных слоёв кристалла добавляется ещё один переход, с которым лучше всего справляется слой OX.

Для создания микроканалов в слое кремния TSMC предлагает использовать специальную алмазную фрезу, которая создаёт канальцы шириной 200-210 мкм и глубиной 400 мкм. Толщина слоя кремния на 300-мм подложках составляет 750 мкм. Данный слой должен быть как можно тоньше, чтобы облегчать передачу тепла от нижнего слоя. TSMC провела ряд испытаний с использованием разных видов канальцев: направленных и в виде квадратных колонн, то есть канальцы проделаны в двух перпендикулярных направлениях. Также проводилось сравнение и со слоем без использования канальцев.

Производительность рассеивания тепловой мощности с поверхности без канальцев оказалась недостаточной. Кроме того, она не сильно улучшается и при увеличении потока охлаждающей жидкости. Канальцы в двух направлениях (Square Pillar) дают наилучший результат, простые микроканальцы отводят заметно меньше тепла. Преимущество первых над вторыми составляет до двух раз.

TSMC считает, что в будущем весьма вероятно прямое жидкостное охлаждение кристаллов. На чип больше не будет устанавливаться металлический радиатор, жидкость будет проходить напрямую через слой кремния, напрямую охлаждая кристалл. Такой подход позволит отводить от чипа несколько киловатт тепла. Но для появления подобных решений на рынке потребуется время. Разные производители полупроводниковых компонентов уже тестируют подобные СЖО.