מומחי חברה בכנס VLSI Symposium TSMC הציגו את החזון שלהם של שילוב מערכת קירור נוזלית ישירות לתוך השבב. פתרון דומה לקירור מעגלים מיקרו עשוי למצוא יישום בעתיד, למשל, במרכזי נתונים, שבהם לעתים קרובות יש צורך להסיר קילוואט של חום.
עם הצמיחה של צפיפות הטרנזיסטורים בתוך השבבים והשימוש בפריסה תלת מימדית המשלבת מספר שכבות, גם מורכבות הקירור האפקטיבי שלהם עולה. מומחי TSMC מאמינים שבעתיד עשויים להיות פתרונות מבטיחים, לפיהם מיקרו-ערוצי נוזל קירור ישולבו בשבב עצמו. זה נשמע מעניין בתיאוריה, אבל בפועל, יישום הרעיון הזה דורש מאמצים הנדסיים אדירים.
המטרה של TSMC היא לפתח מערכת קירור נוזלית המסוגלת לפזר 10 וואט של חום ממילימטר מרובע של שטח המעבד. לפיכך, עבור שבבים בשטח של 500 מ"מ ומעלה, החברה שואפת להסיר 2 קילוואט חום. כדי לפתור את הבעיה, TSMC הציע מספר דרכים:
- DWC (קירור מים ישיר): מיקרו-ערוצי קירור נוזליים ממוקמים בשכבה העליונה של הגביש עצמו
- מכסה Si עם OX TIM: קירור נוזלי נוסף כשכבה נפרדת עם מיקרו-ערוצים, השכבה מחוברת לקריסטל הראשי באמצעות OX (Silicon Oxide Fusion) כממשק תרמי ממשק תרמי (TIM)
- מכסה Si עם LMT: מתכת נוזלית משמשת במקום שכבת OX
כל שיטה נבדקה באמצעות תא נחושת מיוחד של TTV (רכב בדיקה תרמי) עם שטח פנים של 540 מ"מ ושטח גבישי כולל של 780 מ"מ, מצויד בחיישני טמפרטורה. ה-TTV הותקן על מצע המספק חשמל. טמפרטורת הנוזל במעגל הייתה 25 מעלות צלזיוס.
לפי TSMC, השיטה היעילה ביותר היא Direct Water Cooling, כלומר כאשר המיקרו-ערוצים ממוקמים בקריסטל עצמו. בשיטה זו הצליחה החברה להסיר חום של 2,6 קילוואט. הפרש הטמפרטורות היה 63 מעלות צלזיוס. במקרה של שימוש בשיטת OX TIM, הוקצו 2,3 קילוואט בהפרש טמפרטורה של 83 מעלות צלזיוס. שיטת השימוש במתכת נוזלית בין השכבות התבררה כפחות יעילה. במקרה זה, ניתן היה להסיר רק 1,8 קילוואט בהפרש של 75 מעלות צלזיוס.
בחברה מציינים כי ההתנגדות התרמית צריכה להיות נמוכה ככל האפשר, אך בהיבט זה רואים את המכשול העיקרי. עבור שיטת DWC, הכל נשען על המעבר בין סיליקון לנוזל. במקרה של שכבות נפרדות של הגביש, מתווסף מעבר אחד נוסף, אותו מטפלים בצורה הטובה ביותר על ידי שכבת OX.
ליצירת מיקרו-תעלות בשכבת הסיליקון, מציעה TSMC להשתמש בחותך יהלומים מיוחד היוצר תעלות ברוחב של 200-210 מיקרון ועומק של 400 מיקרון. עובי שכבת הסיליקון על מצעים של 300 מ"מ הוא 750 מיקרומטר. שכבה זו צריכה להיות דקה ככל האפשר כדי להקל על העברת החום מהשכבה התחתונה. TSMC ערכה מספר בדיקות באמצעות סוגים שונים של צינוריות: כיוונית ובצורת עמודות מרובעות, כלומר, הצינוריות עשויות בשני כיוונים מאונכים. בוצעה השוואה גם עם שכבה ללא שימוש באבוביות.
התפוקה של פיזור כוח תרמי ממשטח ללא צינורות לא הייתה מספקת. בנוסף, זה לא משתפר הרבה אפילו עם עלייה בזרימת נוזל הקירור. תעלות בשני כיוונים (Square Pillar) נותנים את התוצאה הטובה ביותר, מיקרו-ערוצים פשוטים מסירים פחות חום משמעותית. היתרון של הראשון על השני הוא פי 2.
TSMC מאמינה שקירור נוזלי ישיר של גבישים אפשרי בהחלט בעתיד. רדיאטור מתכת לא יותקן יותר על השבב, הנוזל יעבור ישירות דרך שכבת הסיליקון, ויקרר ישירות את הגביש. גישה זו תאפשר להסיר מספר קילוואט חום מהשבב. אבל ייקח זמן עד שפתרונות כאלה יופיעו בשוק.
קרא גם: