Įmonės specialistai VLSI simpoziumo konferencijoje TSMC pristatė savo viziją integruoti skysto aušinimo sistemą tiesiai į lustą. Panašus mikroschemų aušinimo sprendimas ateityje gali būti pritaikytas, pavyzdžiui, duomenų centruose, kur dažnai reikia pašalinti kilovatus šilumos.
Didėjant tranzistorių tankiui lustų viduje ir naudojant 3D išdėstymą, jungiantį kelis sluoksnius, jų efektyvaus aušinimo sudėtingumas taip pat didėja. TSMC ekspertai mano, kad ateityje gali būti perspektyvūs sprendimai, pagal kuriuos aušinimo skysčio mikrokanalai bus integruoti į patį lustą. Teoriškai tai skamba įdomiai, tačiau praktiškai šios idėjos įgyvendinimas reikalauja milžiniškų inžinerinių pastangų.
TSMC tikslas – sukurti skysčio aušinimo sistemą, galinčią išsklaidyti 10 vatų šilumos iš kvadratinio milimetro procesoriaus ploto. Taigi 500 mm² ir didesnio ploto skiedroms įmonė siekia pašalinti 2 kW šilumos. Norėdami išspręsti problemą, TSMC pasiūlė kelis būdus:
- DWC (tiesioginis vandens aušinimas): skysčio aušinimo mikrokanalai yra viršutiniame paties kristalo sluoksnyje
- Si Dangtis su OX TIM: skystas aušinimas pridedamas kaip atskiras sluoksnis su mikrokanalais, sluoksnis yra prijungtas prie pagrindinio kristalo per OX (Silicon Oxide Fusion) kaip šiluminė sąsaja Thermal Interface Material (TIM)
- Si Dangtis su LMT: vietoj OX sluoksnio naudojamas skystas metalas
Kiekvienas metodas buvo išbandytas naudojant specialią TTV (Thermal Test Vehicle) varinę bandymo kamerą, kurios paviršiaus plotas 540 mm² ir bendras kristalų plotas 780 mm², aprūpintas temperatūros jutikliais. TTV buvo sumontuotas ant pagrindo, kuris tiekia maitinimą. Skysčio temperatūra grandinėje buvo 25°C.
TSMC teigimu, efektyviausias būdas yra tiesioginis vandens aušinimas, tai yra, kai mikrokanalai yra pačiame kristale. Šiuo metodu įmonei pavyko pašalinti 2,6 kW šilumos. Temperatūros skirtumas buvo 63°C. Taikant OX TIM metodą, buvo skirta 2,3 kW su 83°C temperatūros skirtumu. Skysto metalo naudojimo tarp sluoksnių metodas pasirodė esąs mažiau veiksmingas. Šiuo atveju buvo galima pašalinti tik 1,8 kW su 75°C skirtumu.
Bendrovė pažymi, kad šiluminė varža turėtų būti kuo mažesnė, tačiau būtent šiuo aspektu ir matoma pagrindinė kliūtis. DWC metodo atveju viskas priklauso nuo perėjimo tarp silicio ir skysčio. Esant atskiriems kristalo sluoksniams, pridedamas dar vienas perėjimas, kurį geriausiai tvarko OX sluoksnis.
Norint sukurti mikrokanalus silicio sluoksnyje, TSMC siūlo naudoti specialų deimantinį pjaustytuvą, kuris sukuria 200-210 mikronų pločio ir 400 mikronų gylio kanalus. Silicio sluoksnio storis ant 300 mm pagrindo yra 750 μm. Šis sluoksnis turi būti kuo plonesnis, kad būtų lengviau perduoti šilumą iš apatinio sluoksnio. TSMC atliko daugybę bandymų, naudodamas skirtingų tipų vamzdelius: kryptinius ir kvadratinių stulpelių pavidalo, tai yra, vamzdeliai yra pagaminti dviem statmenomis kryptimis. Taip pat buvo lyginamas sluoksnis nenaudojant kanalėlių.
Šiluminės energijos išsklaidymo iš paviršiaus be vamzdelių našumas buvo nepakankamas. Be to, jis labai nepagerėja net padidėjus aušinimo skysčio srautui. Dviejų krypčių kanalai (Square Pillar) duoda geriausią rezultatą, paprasti mikrokanalai pašalina žymiai mažiau šilumos. Pirmųjų pranašumas prieš antrąjį yra 2 kartus.
TSMC mano, kad tiesioginis kristalų aušinimas skysčiu ateityje yra visiškai įmanomas. Ant lusto nebebus montuojamas metalinis radiatorius, skystis pateks tiesiai per silicio sluoksnį, tiesiogiai vėsindamas kristalą. Šis metodas leis iš lusto pašalinti kelis kilovatus šilumos. Tačiau prireiks laiko, kol tokie sprendimai pasirodys rinkoje.
Taip pat skaitykite:
- Japonijos mokslininkai atvėrė kelią naujos kartos lustams
- Lustų pramonė pavojingai priklauso nuo TSMC