Yrityksen asiantuntijat VLSI Symposium -konferenssissa TSMC esittelivät visionsa nestejäähdytysjärjestelmän integroimisesta suoraan siruun. Vastaava ratkaisu mikropiirien jäähdyttämiseen saattaa löytää tulevaisuudessa käyttöä esimerkiksi datakeskuksissa, joista on usein poistettava kilowattilämpöä.
Sirujen sisällä olevien transistorien tiheyden kasvaessa ja useita kerroksia yhdistävän 3D-layoutin käytön myötä myös niiden tehokkaan jäähdytyksen monimutkaisuus lisääntyy. TSMC:n asiantuntijat uskovat, että tulevaisuudessa ratkaisut voivat olla lupaavia, joiden mukaan jäähdytysnesteen mikrokanavat integroidaan itse siruun. Se kuulostaa teoriassa mielenkiintoiselta, mutta käytännössä tämän idean toteuttaminen vaatii valtavia insinööriponnisteluja.
TSMC:n tavoitteena on kehittää nestejäähdytysjärjestelmä, joka pystyy haihduttamaan 10 wattia lämpöä neliömillimetriltä prosessorialueelta. Siten hakkeista, joiden pinta-ala on 500 mm² ja enemmän, yritys pyrkii poistamaan 2 kW lämpöä. Ongelman ratkaisemiseksi TSMC tarjosi useita tapoja:
- DWC (Direct Water Cooling): nestejäähdytysmikrokanavat sijaitsevat itse kiteen ylemmässä kerroksessa
- Si-kansi OX TIM:llä: nestejäähdytys lisätään erillisenä kerroksena mikrokanavilla, kerros on yhdistetty pääkiteeseen OX:n (Silicon Oxide Fusion) kautta lämpörajapintana Thermal Interface Material (TIM)
- Si-kansi LMT:llä: nestemäistä metallia käytetään OX-kerroksen sijasta
Jokainen menetelmä testattiin erityisellä TTV (Thermal Test Vehicle) kuparisella testikennolla, jonka pinta-ala on 540 mm² ja kidealan kokonaispinta-ala 780 mm² ja joka on varustettu lämpötila-antureilla. TTV asennettiin alustalle, joka syöttää virtaa. Piirissä olevan nesteen lämpötila oli 25°C.
TSMC:n mukaan tehokkain menetelmä on Direct Water Cooling, eli kun mikrokanavat sijaitsevat itse kiteessä. Tällä menetelmällä yritys pystyi poistamaan 2,6 kW lämpöä. Lämpötilaero oli 63°C. OX TIM -menetelmää käytettäessä allokoitiin 2,3 kW lämpötilaerolla 83°C. Menetelmä käyttää nestemäistä metallia kerrosten välissä osoittautui vähemmän tehokkaaksi. Tässä tapauksessa oli mahdollista poistaa vain 1,8 kW 75°C erolla.
Yhtiö huomauttaa, että lämpövastuksen tulee olla mahdollisimman pieni, mutta juuri tässä näkökulmassa nähdään suurin este. DWC-menetelmässä kaikki perustuu piiin ja nesteen väliseen siirtymiseen. Erillisten kiteen kerrosten tapauksessa lisätään vielä yksi siirtymä, jonka OX-kerros käsittelee parhaiten.
Mikrokanavien luomiseksi piikerrokseen TSMC ehdottaa erityisen timanttileikkurin käyttöä, joka luo kanavia, joiden leveys on 200-210 mikronia ja syvyys 400 mikronia. Piikerroksen paksuus 300 mm alustoille on 750 μm. Tämän kerroksen tulee olla mahdollisimman ohut helpottamaan lämmön siirtymistä alemmasta kerroksesta. TSMC suoritti useita testejä erityyppisillä putkilla: suunnattuina ja neliömäisten pylväiden muodossa, eli putket on tehty kahteen kohtisuoraan suuntaan. Vertailu tehtiin myös kerroksella ilman putkia.
Lämpövoiman hajauttamisen tuottavuus pinnasta ilman putkia oli riittämätön. Lisäksi se ei paranna paljon edes jäähdytysnesteen virtauksen lisääntyessä. Kanavat kahteen suuntaan (Square Pillar) antavat parhaan tuloksen, yksinkertaiset mikrokanavat poistavat huomattavasti vähemmän lämpöä. Edellisen etu jälkimmäiseen verrattuna on 2-kertainen.
TSMC uskoo, että kiteiden suora nestejäähdytys on täysin mahdollista tulevaisuudessa. Metallipatteria ei enää asenneta sirulle, neste kulkee suoraan piikerroksen läpi jäähdyttäen suoraan kiteen. Tämä lähestymistapa mahdollistaa useiden kilowattien lämmön poistamisen sirusta. Mutta kestää jonkin aikaa, ennen kuin tällaiset ratkaisut tulevat markkinoille.
Lue myös:
- Japanilaiset tutkijat ovat avanneet tien uuden sukupolven siruille
- Siruteollisuus on vaarallisesti riippuvainen TSMC:stä