VLSI Sempozyumu konferansında şirket uzmanları TSMC bir sıvı soğutma sistemini doğrudan çipe entegre etme vizyonunu sundu. Soğutma mikro devreleri için benzer bir çözüm, örneğin kilovatlık ısının genellikle çıkarılması gereken veri merkezlerinde gelecekte uygulama bulabilir.
Çiplerin içindeki transistörlerin yoğunluğunun artması ve birkaç katmanı birleştiren 3D düzeninin kullanılmasıyla, etkili soğutmanın karmaşıklığı da artar. TSMC uzmanları, gelecekte hangi soğutma sıvısı mikrokanallarının çipin kendisine entegre edileceğine göre çözümlerin umut verici olabileceğine inanıyor. Teoride kulağa ilginç geliyor, ancak pratikte bu fikrin uygulanması muazzam mühendislik çabalarını gerektiriyor.
TSMC'nin amacı, bir milimetre kare işlemci alanından 10 watt ısı dağıtabilen bir sıvı soğutma sistemi geliştirmektir. Böylece 500 mm² ve üzeri alana sahip cipsler için firma 2 kW ısıyı ortadan kaldırmayı hedefliyor. Sorunu çözmek için TSMC birkaç yol önerdi:
- DWC (Doğrudan Su Soğutma): Sıvı soğutmalı mikro kanallar, kristalin kendisinin üst tabakasında bulunur.
- OX TIM'li Si Kapak: mikrokanallarla ayrı bir katman olarak sıvı soğutma eklenir, katman ana kristale OX (Silicon Oxide Fusion) üzerinden termal arayüz olarak bağlanır Termal Arayüz Malzemesi (TIM)
- LMT'li Si Kapak: OX tabakası yerine sıvı metal kullanılır
Her yöntem, sıcaklık sensörleri ile donatılmış, 540 mm² yüzey alanına ve toplam 780 mm² kristal alana sahip özel bir TTV (Termal Test Aracı) bakır test hücresi kullanılarak test edildi. TTV, güç sağlayan bir alt tabaka üzerine monte edildi. Devredeki akışkanın sıcaklığı 25°C idi.
TSMC'ye göre en etkili yöntem Doğrudan Suyla Soğutma, yani mikrokanallar kristalin kendisinde yer aldığında. Şirket, bu yöntemi kullanarak 2,6 kW ısıyı uzaklaştırmayı başardı. Sıcaklık farkı 63°C idi. OX TIM yönteminin kullanılması durumunda, 2,3°C'lik bir sıcaklık farkıyla 83 kW tahsis edilmiştir. Katmanlar arasında sıvı metal kullanma yönteminin daha az etkili olduğu kanıtlandı. Bu durumda, 1,8 °C'lik bir farkla sadece 75 kW'ı çıkarmak mümkün oldu.
Şirket, termal direncin mümkün olduğu kadar düşük olması gerektiğini belirtiyor ancak asıl engel bu açıdan görülüyor. DWC yöntemi için her şey silikon ve sıvı arasındaki geçişe dayanır. Kristalin ayrı katmanları olması durumunda, en iyi şekilde OX katmanı tarafından idare edilen bir geçiş daha eklenir.
Silikon katmanda mikro kanallar oluşturmak için TSMC, 200-210 mikron genişliğinde ve 400 mikron derinliğinde kanallar oluşturan özel bir elmas kesici kullanılmasını önerir. 300 mm substratlar üzerindeki silikon tabakasının kalınlığı 750 μm'dir. Bu katman, alt katmandan ısı transferini kolaylaştırmak için mümkün olduğunca ince olmalıdır. TSMC, farklı tipte borular kullanarak bir dizi test gerçekleştirdi: yönlü ve kare sütunlar şeklinde, yani borular iki dikey yönde yapılır. Tüplerin kullanılmadığı bir katmanla da bir karşılaştırma yapılmıştır.
Tüplerin olmadığı bir yüzeyden termal gücü dağıtmanın üretkenliği yetersizdi. Ek olarak, soğutma sıvısı akışındaki bir artışla bile fazla iyileşmez. İki yönlü kanallar (Kare Sütun) en iyi sonucu verir, basit mikro kanallar önemli ölçüde daha az ısıyı giderir. Birincisinin ikincisine göre avantajı 2 katıdır.
TSMC, gelecekte kristallerin doğrudan sıvı soğutmasının oldukça mümkün olduğuna inanıyor. Artık çip üzerine metal bir radyatör kurulmayacak, sıvı doğrudan silikon tabakasından geçerek kristali doğrudan soğutacak. Bu yaklaşım, çipten birkaç kilovatlık ısının çıkarılmasına izin verecektir. Ancak bu tür çözümlerin piyasada görünmesi zaman alacaktır.
Ayrıca okuyun:
- Japon araştırmacılar yeni nesil çiplerin yolunu açtı
- Çip endüstrisi tehlikeli bir şekilde TSMC'ye bağımlı