Các chuyên gia của công ty tại hội nghị chuyên đề VLSI TSMC đã trình bày tầm nhìn của họ về việc tích hợp hệ thống làm mát bằng chất lỏng trực tiếp vào chip. Một giải pháp tương tự để làm mát vi mạch có thể được ứng dụng trong tương lai, chẳng hạn như trong các trung tâm dữ liệu, nơi thường phải loại bỏ kilowatt nhiệt.
Với sự phát triển của mật độ bóng bán dẫn bên trong chip và việc sử dụng bố cục 3D kết hợp nhiều lớp, độ phức tạp của khả năng làm mát hiệu quả của chúng cũng tăng lên. Các chuyên gia của TSMC tin rằng trong tương lai, các giải pháp có thể hứa hẹn nhiều hứa hẹn, theo đó các vi kênh chất lỏng làm mát sẽ được tích hợp vào chính con chip này. Về lý thuyết thì nghe có vẻ thú vị, nhưng trên thực tế, việc thực hiện ý tưởng này đòi hỏi những nỗ lực rất lớn về mặt kỹ thuật.
Mục tiêu của TSMC là phát triển một hệ thống làm mát bằng chất lỏng có khả năng tản nhiệt 10 watt từ một milimét vuông diện tích bộ xử lý. Do đó, đối với những con chip có diện tích từ 500 mm² trở lên, công ty đặt mục tiêu loại bỏ 2 kW nhiệt. Để giải quyết vấn đề này, TSMC đã đưa ra một số cách:
- DWC (Làm mát bằng nước trực tiếp): các vi kênh làm mát bằng chất lỏng nằm ở lớp trên của chính tinh thể
- Si Nắp với OX TIM: làm mát chất lỏng được thêm vào như một lớp riêng biệt với các vi kênh, lớp này được kết nối với tinh thể chính thông qua OX (Silicon Oxide Fusion) như một giao diện nhiệt Vật liệu Giao diện Nhiệt (TIM)
- Si Nắp với LMT: kim loại lỏng được sử dụng thay cho lớp OX
Mỗi phương pháp được thử nghiệm bằng cách sử dụng một tế bào thử nghiệm đồng TTV (Thermal Test Vehicle) đặc biệt với diện tích bề mặt là 540 mm² và tổng diện tích tinh thể là 780 mm², được trang bị các cảm biến nhiệt độ. TTV được gắn trên một đế cung cấp điện. Nhiệt độ của chất lỏng trong mạch là 25 ° C.
Theo TSMC, phương pháp hiệu quả nhất là Làm mát bằng nước trực tiếp, tức là khi các vi kênh nằm trong chính tinh thể. Sử dụng phương pháp này, công ty đã có thể loại bỏ 2,6 kW nhiệt. Sự chênh lệch nhiệt độ là 63 ° C. Trong trường hợp sử dụng phương pháp OX TIM, 2,3 kW đã được phân bổ với chênh lệch nhiệt độ là 83 ° C. Phương pháp sử dụng kim loại lỏng giữa các lớp tỏ ra kém hiệu quả hơn. Trong trường hợp này, chỉ có thể loại bỏ 1,8 kW với chênh lệch 75 ° C.
Công ty lưu ý rằng khả năng chịu nhiệt phải càng thấp càng tốt, nhưng ở khía cạnh này, trở ngại chính được nhìn thấy. Đối với phương pháp DWC, mọi thứ đều dựa vào sự chuyển đổi giữa silicon và chất lỏng. Trong trường hợp các lớp tinh thể riêng biệt, một quá trình chuyển tiếp được thêm vào, lớp OX xử lý tốt nhất.
Để tạo các vi kênh trong lớp silicon, TSMC đề xuất sử dụng một máy cắt kim cương đặc biệt tạo ra các kênh có chiều rộng 200-210 micron và độ sâu 400 micron. Chiều dày của lớp silicon trên bề mặt 300 mm là 750 μm. Lớp này càng mỏng càng tốt để tạo điều kiện truyền nhiệt từ lớp dưới lên. TSMC đã tiến hành một số thử nghiệm bằng cách sử dụng các loại ống khác nhau: có hướng và ở dạng cột vuông, tức là các ống được làm theo hai hướng vuông góc. Một so sánh cũng được thực hiện với một lớp mà không sử dụng các ống.
Năng suất tản nhiệt từ bề mặt không có ống là không đủ. Ngoài ra, nó không cải thiện nhiều ngay cả khi tăng lưu lượng chất làm mát. Các kênh theo hai hướng (Trụ vuông) cho kết quả tốt nhất, các kênh vi mô đơn giản loại bỏ nhiệt ít hơn đáng kể. Lợi thế của cái trước so với cái sau là 2 lần.
TSMC tin rằng việc làm mát tinh thể bằng chất lỏng trực tiếp là hoàn toàn có thể xảy ra trong tương lai. Một bộ tản nhiệt bằng kim loại sẽ không còn được lắp trên chip nữa, chất lỏng sẽ đi trực tiếp qua lớp silicon, trực tiếp làm mát tinh thể. Cách tiếp cận này sẽ cho phép loại bỏ vài kilowatt nhiệt khỏi chip. Nhưng sẽ mất thời gian để những giải pháp như vậy xuất hiện trên thị trường.
Đọc thêm:
- Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã mở đường cho một thế hệ chip mới
- Ngành công nghiệp chip phụ thuộc một cách nguy hiểm vào TSMC