Unternehmensspezialisten auf der VLSI-Symposium-Konferenz TSMC präsentierten ihre Vision, eine Flüssigkeitskühlung direkt in den Chip zu integrieren. Eine ähnliche Lösung zur Kühlung von Mikroschaltkreisen könnte künftig zum Beispiel in Rechenzentren Anwendung finden, wo oft Kilowatt Wärme abgeführt werden müssen.
Mit der Zunahme der Transistordichte in den Chips und der Verwendung von 3D-Layouts, die mehrere Schichten kombinieren, steigt auch die Komplexität ihrer effektiven Kühlung. TSMC-Experten glauben, dass in Zukunft Lösungen vielversprechend sein könnten, wonach Kühlflüssigkeits-Mikrokanäle in den Chip selbst integriert werden. In der Theorie klingt das interessant, aber in der Praxis erfordert die Umsetzung dieser Idee einen enormen Engineering-Aufwand.
Das Ziel von TSMC ist es, ein Flüssigkeitskühlsystem zu entwickeln, das in der Lage ist, 10 Watt Wärme von einem Quadratmillimeter Prozessorfläche abzuführen. So will das Unternehmen bei Chips mit einer Fläche von 500 mm² und mehr 2 kW Wärme abführen. Um das Problem zu lösen, bot TSMC mehrere Möglichkeiten an:
- DWC (Direct Water Cooling): Mikrokanäle zur Flüssigkeitskühlung befinden sich in der oberen Schicht des Kristalls selbst
- Si-Deckel mit OX TIM: Flüssigkeitskühlung wird als separate Schicht mit Mikrokanälen hinzugefügt, die Schicht ist über OX (Silicon Oxide Fusion) als thermische Schnittstelle mit dem Hauptkristall verbunden Thermal Interface Material (TIM)
- Si-Deckel mit LMT: Flüssigmetall wird anstelle der OX-Schicht verwendet
Jede Methode wurde mit einer speziellen TTV (Thermal Test Vehicle)-Kupfertestzelle mit einer Oberfläche von 540 mm² und einer Gesamtkristallfläche von 780 mm² getestet, die mit Temperatursensoren ausgestattet war. Der TTV wurde auf einem Substrat montiert, das Strom liefert. Die Temperatur des Fluids im Kreislauf betrug 25°C.
Die effektivste Methode ist laut TSMC die direkte Wasserkühlung, also wenn sich die Mikrokanäle im Kristall selbst befinden. Mit dieser Methode konnte das Unternehmen 2,6 kW Wärme abführen. Der Temperaturunterschied betrug 63°C. Bei Verwendung des OX TIM-Verfahrens wurden 2,3 kW bei einer Temperaturdifferenz von 83 °C zugeteilt. Als weniger effektiv erwies sich die Methode, flüssiges Metall zwischen den Schichten zu verwenden. In diesem Fall konnten bei einer Differenz von 1,8°C nur 75 kW entnommen werden.
Das Unternehmen weist darauf hin, dass der Wärmewiderstand so gering wie möglich sein sollte, aber in diesem Aspekt wird das Haupthindernis gesehen. Beim DWC-Verfahren beruht alles auf dem Übergang zwischen Silizium und Flüssigkeit. Bei getrennten Schichten des Kristalls wird ein weiterer Übergang hinzugefügt, der am besten von der OX-Schicht gehandhabt wird.
Um Mikrokanäle in der Siliziumschicht zu erzeugen, schlägt TSMC vor, einen speziellen Diamantschneider zu verwenden, der Kanäle mit einer Breite von 200–210 Mikrometern und einer Tiefe von 400 Mikrometern erzeugt. Die Dicke der Siliziumschicht auf 300-mm-Substraten beträgt 750 μm. Diese Schicht sollte so dünn wie möglich sein, um die Wärmeübertragung von der unteren Schicht zu erleichtern. TSMC führte eine Reihe von Tests mit verschiedenen Arten von Röhrchen durch: gerichtet und in Form von quadratischen Säulen, dh die Röhrchen werden in zwei senkrechten Richtungen hergestellt. Es wurde auch ein Vergleich mit einer Schicht ohne die Verwendung von Röhrchen durchgeführt.
Die Produktivität der Ableitung von Wärmeleistung von einer Oberfläche ohne Röhrchen war unzureichend. Außerdem verbessert es sich auch bei einer Erhöhung des Kühlmittelflusses nicht wesentlich. Kanäle in zwei Richtungen (Square Pillar) liefern das beste Ergebnis, einfache Mikrokanäle führen deutlich weniger Wärme ab. Der Vorteil des ersteren gegenüber dem letzteren ist 2-mal.
TSMC glaubt, dass eine direkte Flüssigkeitskühlung von Kristallen in Zukunft durchaus möglich ist. Auf dem Chip wird kein Metallkühler mehr installiert, die Flüssigkeit fließt direkt durch die Siliziumschicht und kühlt den Kristall direkt. Mit diesem Ansatz können dem Chip mehrere Kilowatt Wärme entzogen werden. Bis solche Lösungen auf den Markt kommen, wird es aber noch dauern.
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