متخصصان شرکت در کنفرانس سمپوزیوم VLSI TSMC دیدگاه خود را از ادغام یک سیستم خنک کننده مایع به طور مستقیم در تراشه ارائه کردند. راه حل مشابهی برای ریزمدارهای خنک کننده ممکن است در آینده کاربرد پیدا کند، به عنوان مثال، در مراکز داده، جایی که کیلووات گرما اغلب باید حذف شود.
با رشد تراکم ترانزیستورها در داخل تراشه ها و استفاده از چیدمان سه بعدی با ترکیب چندین لایه، پیچیدگی خنک کنندگی موثر آنها نیز افزایش می یابد. کارشناسان TSMC بر این باورند که در آینده، راه‌حل‌هایی امیدوارکننده خواهد بود که بر اساس آن میکروکانال‌های مایع خنک‌کننده در خود تراشه ادغام می‌شوند. در تئوری جالب به نظر می رسد، اما در عمل، اجرای این ایده نیازمند تلاش های مهندسی عظیم است.
هدف TSMC توسعه یک سیستم خنک کننده مایع با قابلیت دفع 10 وات گرما از یک میلی متر مربع از سطح پردازنده است. بنابراین، برای تراشه‌هایی با مساحت 500 میلی‌متر مربع و بیشتر، هدف شرکت حذف 2 کیلو وات گرما است. برای حل این مشکل، TSMC چندین راه را ارائه کرد:
- DWC (خنک کننده مستقیم آب): میکروکانال های خنک کننده مایع در لایه بالایی خود کریستال قرار دارند.
- درب Si با OX TIM: خنک کننده مایع به عنوان یک لایه جداگانه با میکروکانال ها اضافه می شود، لایه از طریق OX (سیلیکون اکسید فیوژن) به عنوان یک رابط حرارتی مواد رابط حرارتی (TIM) به کریستال اصلی متصل می شود.
- درب Si با LMT: به جای لایه OX از فلز مایع استفاده می شود
هر روش با استفاده از یک سلول تست مسی TTV (خودروی تست حرارتی) ویژه با مساحت 540 میلی‌متر مربع و مساحت کریستال کل 780 میلی‌متر مربع، مجهز به سنسورهای دما مورد آزمایش قرار گرفت. TTV روی بستری نصب شده بود که برق را تامین می کند. دمای سیال در مدار 25 درجه سانتی گراد بود.
به گفته TSMC، موثرترین روش خنک‌سازی مستقیم آب است، یعنی زمانی که میکروکانال‌ها در خود کریستال قرار دارند. با استفاده از این روش، این شرکت توانست 2,6 کیلو وات گرما را حذف کند. اختلاف دما 63 درجه سانتی گراد بود. در صورت استفاده از روش OX TIM، 2,3 کیلو وات با اختلاف دمای 83 درجه سانتی گراد تخصیص داده شد. روش استفاده از فلز مایع بین لایه‌ها مؤثر نبود. در این حالت، حذف تنها 1,8 کیلو وات با اختلاف 75 درجه سانتی گراد امکان پذیر بود.
این شرکت خاطرنشان می کند که مقاومت حرارتی باید تا حد امکان پایین باشد، اما در این جنبه است که مانع اصلی دیده می شود. برای روش DWC، همه چیز بر روی انتقال بین سیلیکون و مایع استوار است. در مورد لایه‌های مجزای کریستال، یک انتقال دیگر اضافه می‌شود که به بهترین وجه توسط لایه OX مدیریت می‌شود.
برای ایجاد میکروکانال در لایه سیلیکونی، TSMC پیشنهاد می کند از یک برش الماس مخصوص استفاده کنید که کانال هایی با عرض 200-210 میکرون و عمق 400 میکرون ایجاد می کند. ضخامت لایه سیلیکونی روی بسترهای 300 میلی متری 750 میکرومتر است. این لایه باید تا حد امکان نازک باشد تا انتقال حرارت از لایه زیرین تسهیل شود. TSMC تعدادی آزمایش را با استفاده از انواع مختلف لوله انجام داد: جهت دار و به شکل ستون های مربعی، یعنی لوله ها در دو جهت عمود بر هم ساخته شده اند. مقایسه ای نیز با یک لایه بدون استفاده از لوله انجام شد.
بهره وری اتلاف توان حرارتی از سطح بدون لوله کافی نبود. علاوه بر این، حتی با افزایش جریان مایع خنک کننده نیز بهبود چندانی پیدا نمی کند. کانال ها در دو جهت (Square Pillar) بهترین نتیجه را می دهند، میکروکانال های ساده گرمای کمتری را به میزان قابل توجهی از بین می برند. مزیت اولی نسبت به دومی 2 برابر است.
TSMC معتقد است که خنک کردن مستقیم مایع کریستال ها در آینده کاملاً امکان پذیر است. رادیاتور فلزی دیگر روی تراشه نصب نخواهد شد، مایع مستقیماً از لایه سیلیکون عبور می کند و مستقیماً کریستال را خنک می کند. این روش باعث می شود چندین کیلووات گرما از تراشه حذف شود. اما ظاهر شدن چنین راهکارهایی در بازار زمان می برد.
همچنین بخوانید:
- محققان ژاپنی راه را برای نسل جدیدی از تراشه ها باز کرده اند
- صنعت تراشه به طور خطرناکی به TSMC وابسته است