Компания TSMC, один из крупнейших производителей микропроцессоров, разработала инновационную систему водяного охлаждения. Она позволяет отвести от чипа 2,6 кВт тепла.
Зачем это нужно
Размер имеет значение – и производители с каждым годом стремятся разместить мощные микросхемы во все более компактных корпусах. В результате повышается плотность интеграции чипов, растет теплоотдача. Такие системы нуждаются в эффективном охлаждении, чтобы работать без потери производительности.
Проблема стоит достаточно остро, потому что производители переходят на 3D-компоновку чипов – располагают их в несколько слоев. Из-за этого TDP (требования к теплоотводу) повышаются в несколько раз.
Прямое водяное охлаждение, как правило, продуктивнее воздушного – просто потому, что теплоемкость воды в четыре раза выше, чем у воздуха. Поэтому разработчики сосредоточились именно на жидкостных решениях.
Как это работает
TSMC на конференции VLSI Technology and Circuits 2021 продемонстрировала новый подход – технологию TSMC SoIC (System on Integrated Chips). Она обеспечила отвод с крупной интегральной схемы более 2,6 кВт отработанного тепла – это соответствует плотности 4,8 Вт/мм2.
В макете логический чип располагается под кремниевой крышкой. В нее врезана решетчатая охлаждающая структура, которая сводит к минимум тепловое сопротивление между жидкостью и микросхемой. На обратной стороне кремния в экспериментах удалось добиться еще более высокой плотности охлаждения – 7 Вт/мм2.
Технология SoIC подходит для микросхем разных размеров и функционального назначения. Ее можно реализовать на кремниевых подложках практически любого диаметра.
В планах компании – повысить TDP решения до 10 Вт/мм2. При этом термическое сопротивление необходимо снизить до 10 K·мм2/Вт. По оценкам производителей, в ближайшие годы микропроцессоры будут выдавать 2 кВт тепла на площади 500 мм2.
Как встроить новую систему в чип
Разработчики предложили три варианта:
- Прямое водяное охлаждение (DWC) – когда каналы для жидкости находятся непосредственно в верхних кремниевых слоях чипа;
- Кремниевая крышка с термоинтерфейсом (Si с OX TIM): система встраивается в отдельный слой кремния, который объединяется с материалом термоинтерфейса с применением оксида кремния;
- Кремниевая крышка с термоинтерфейсом из жидкого металла (Si с LMT): в этом случае металл в расплавленном состоянии заменяет оксид кремния.
Каналы в кремний врезаются с применением стандартных технологий – алмазный круг прорезает канавки глубиной 400 мкм и шириной 200-210 мкм. Чтобы тепло подавалось эффективнее, слой кремния должен быть как можно тоньше.
Специалисты провели серию экспериментов и установили, что эффективнее всего отводить 2,6 кВт тепла от микросхемы получилось, подавая 5,8 л воды в минуту. Температура жидкости составляла 25° C, а чип нагревался до 88° C.
Какие перспективы у решения
В TSMC предположили, что в ближайшие годы в чипах будут изначально реализовывать прямое водяное охлаждение. В этом случае вода подается на слой кремния, а металлического кулера в конструкции не предусмотрено.
Использовать технологию планируется, прежде всего, в видеокартах. Но даже мощные графические адаптеры Nvidia A100 и Intel Ponte Vecchio пока выдают 500 и 600 Вт соответственно, а центральные процессоры – и того меньше. Так что у разработчиков есть время на совершенствование технологии и удешевление процессов производства чипов.