TSMC eksperymentuje z innowacyjnym chłodzeniem wodnym wbudowanym w półprzewodniki

Zmiany technologiczne, coraz gęstsze upakowanie tranzystorów i pionowe układanie warstw w chipach sprawiają, że temperatura staje się coraz bardziej krytycznym problemem. Tradycyjne metody chłodzenia półprzewodników mogą wkrótce przestać się sprawdzać, więc trwa poszukiwanie alternatywnych rozwiązań. Swoją propozycję w temacie przedstawiło właśnie TSMC.

TSMC przedstawiło wyniki swoich badań nad chłodzeniem wodnym umieszczonym bezpośrednio w chipie, co ma być przyszłościowym rozwiązaniem  problemów z rozpraszaniem ciepła. Zamiast stosować tradycyjne bloki wodne, kanaliki wodne mają być zintegrowane wewnątrz chipa. TSMC uważa, że rozwiązaniem kwestii wydajnego chłodzenia jest przepływ wody pomiędzy obwodami warstwowymi. W teorii brzmi to jak idealne rozwiązanie, jednak przepuszczanie cieczy przez układ elektroniczny jest skomplikowanym wyzwaniem w świecie elektroniki.

TSMC eksperymentuje z chłodzeniem wodnym, które będzie zintegrowane bezpośrednio z chipem. Pokazuje to kierunek, w którym podąża branża, pracując nad przyszłymi problemami chipów produkowanych warstwowo.

Obecne rozwiązania chłodzące działają na zasadzie odbierania ciepła poprzez bezpośredni kontakt rozpraszacza danego układu z radiatorem, bądź blokiem wodnym. Innym stosowanym rozwiązaniem, które testuje również Microsoft w swoich centrach danych, jest chłodzenie zanurzeniowe, które zakłada umieszczanie całych komponentów w płynie, który nie przewodzi prądu. Wadą tradycyjnych rozwiązań jest chłodzenie tylko górnych warstw, co jest problematyczne przy pionowym układzie. Niższe warstwy będą znacznie gorzej chłodzone, co może doprowadzić do awarii, lub obniżania wydajności, a wyższe będą dodatkowo obciążone ciepłem z dołu.

TSMC przeprowadziło testy na atrapie półprzewodnika. Firma przetestowała trzy rodzaje integracji kanałów wodnych w krzemie: wykorzystano kanał oparty na filarach, w którym woda mogła opływać aktywne filary półprzewodnikowe, aby je schłodzić, tak ja woda omija wyspy. Drugi projekt to wykop - jak rzeka płynąca swoim korytem. Trzeci wariant to zwykły kanał wodny w środku układu. Woda przepuszczana była przez zewnętrzny mechanizm chłodzący, który schładzał wodę do temperatury 25ºC po przejściu przez półprzewodnik.

Przetestowano również trzy warianty chłodzenia cieczą - bezpośrednie z kanałami cyrkulacyjnymi w krzemie stworzonymi podczas procesu produkcyjnego oraz kanałami wodnymi wytrawionymi w krzemie na wierzchu chipa z warstwą tlenku krzemu (OX), która przenosi ciepło z układu. W ostatnim projekcie zamieniono warstwę OX na prostsze, tańsze rozwiązanie w postaci ciekłego metalu.

TSMC poinformowało, że najlepszym rozwiązaniem była zdecydowanie metoda bezpośredniego chłodzenia wodą, która mogła rozpraszać do 2,6 kW ciepła z deltą temperatury wynoszącą 63ºC. Drugim najlepszym projektem była konstrukcja oparta na technologii tlenku krzemu jako przewodnika temperatury, która mogła rozpraszać do 2,3 kW ciepła z deltą temperatury wynoszącą 83ºC. Roztwór ciekłego metalu pojawił się na końcu, nadal zdołał rozproszyć do 1,8 kW (delta temperatury 75ºC). Ze wszystkich projektów przepływu wody najbardziej wydajny był ten oparty na filarach.