Bedrijfsspecialisten op de VLSI Symposium conferentie TSMC presenteerden hun visie om een vloeistofkoelsysteem rechtstreeks in de chip te integreren. Een vergelijkbare oplossing voor het koelen van microcircuits kan in de toekomst bijvoorbeeld worden toegepast in datacenters, waar vaak kilowatt aan warmte moet worden afgevoerd.
Met de groei van de dichtheid van transistors in de chips en het gebruik van een 3D-layout die verschillende lagen combineert, neemt ook de complexiteit van hun effectieve koeling toe. TSMC-experts zijn van mening dat in de toekomst oplossingen veelbelovend kunnen zijn, volgens welke koelvloeistofmicrokanalen in de chip zelf zullen worden geïntegreerd. Het klinkt interessant in theorie, maar in de praktijk vereist de implementatie van dit idee enorme technische inspanningen.
Het doel van TSMC is om een vloeistofkoelsysteem te ontwikkelen dat 10 watt warmte kan afvoeren van een vierkante millimeter processoroppervlak. Zo wil het bedrijf voor chips met een oppervlakte van 500 mm² en meer 2 kW warmte afvoeren. Om het probleem op te lossen, bood TSMC verschillende manieren aan:
- DWC (Direct Water Cooling): vloeistofkoelende microkanalen bevinden zich in de bovenste laag van het kristal zelf
- Si Lid met OX TIM: vloeistofkoeling wordt toegevoegd als een aparte laag met microkanalen, de laag is verbonden met het hoofdkristal via OX (Silicon Oxide Fusion) als thermische interface Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lid met LMT: vloeibaar metaal wordt gebruikt in plaats van de OX-laag
Elke methode is getest met behulp van een speciale TTV (Thermal Test Vehicle) koperen testcel met een oppervlakte van 540 mm² en een totaal kristaloppervlak van 780 mm², uitgerust met temperatuursensoren. De TTV was gemonteerd op een ondergrond die stroom levert. De temperatuur van de vloeistof in het circuit was 25°C.
Volgens TSMC is de meest effectieve methode directe waterkoeling, dat wil zeggen wanneer de microkanalen zich in het kristal zelf bevinden. Met deze methode kon het bedrijf 2,6 kW warmte afvoeren. Het temperatuurverschil was 63°C. Bij toepassing van de OX TIM methode werd 2,3 kW toegekend met een temperatuurverschil van 83°C. De methode om vloeibaar metaal tussen de lagen te gebruiken bleek minder effectief. In dit geval was het mogelijk om slechts 1,8 kW te verwijderen met een verschil van 75°C.
Het bedrijf merkt op dat de thermische weerstand zo laag mogelijk moet zijn, maar het is in dit aspect dat het belangrijkste obstakel wordt gezien. Bij de DWC-methode berust alles op de overgang tussen silicium en vloeistof. In het geval van afzonderlijke lagen van het kristal wordt nog een overgang toegevoegd, die het beste wordt afgehandeld door de OX-laag.
Om microkanalen in de siliciumlaag te maken, stelt TSMC voor om een speciale diamantfrees te gebruiken die kanalen maakt met een breedte van 200-210 micron en een diepte van 400 micron. De dikte van de siliciumlaag op 300 mm substraten is 750 m. Deze laag moet zo dun mogelijk zijn om de warmteoverdracht van de onderste laag te vergemakkelijken. TSMC heeft een aantal tests uitgevoerd met verschillende soorten tubuli: directioneel en in de vorm van vierkante kolommen, dat wil zeggen dat de tubuli in twee loodrechte richtingen zijn gemaakt. Er is ook een vergelijking gemaakt met een laag zonder het gebruik van buisjes.
De productiviteit van het afvoeren van thermische energie van een oppervlak zonder buisjes was onvoldoende. Bovendien verbetert het niet veel, zelfs niet met een toename van de koelvloeistofstroom. Kanalen in twee richtingen (Square Pillar) geven het beste resultaat, eenvoudige microkanalen voeren beduidend minder warmte af. Het voordeel van de eerste boven de laatste is 2 keer.
TSMC gelooft dat directe vloeistofkoeling van kristallen in de toekomst heel goed mogelijk is. Er wordt geen metalen radiator meer op de chip geïnstalleerd, de vloeistof gaat rechtstreeks door de siliciumlaag en koelt het kristal direct af. Met deze aanpak kunnen meerdere kilowatts aan warmte van de chip worden verwijderd. Maar het zal enige tijd duren voordat dergelijke oplossingen op de markt verschijnen.
Lees ook:
- Japanse onderzoekers hebben de weg vrijgemaakt voor een nieuwe generatie chips
- De chipindustrie is gevaarlijk afhankelijk van TSMC