Especialistas da empresa na conferência VLSI Symposium TSMC apresentaram sua visão de integrar um sistema de refrigeração líquida diretamente no chip. Uma solução semelhante para microcircuitos de resfriamento pode encontrar aplicação no futuro, por exemplo, em data centers, onde os quilowatts de calor geralmente precisam ser removidos.
Com o crescimento da densidade de transistores dentro dos chips e o uso de layout 3D combinando várias camadas, a complexidade de seu resfriamento efetivo também aumenta. Os especialistas da TSMC acreditam que, no futuro, as soluções podem ser promissoras, segundo as quais os microcanais de líquido de resfriamento serão integrados ao próprio chip. Parece interessante na teoria, mas na prática, a implementação dessa ideia requer enormes esforços de engenharia.
O objetivo da TSMC é desenvolver um sistema de refrigeração líquida capaz de dissipar 10 watts de calor de um milímetro quadrado de área do processador. Assim, para chips com área de 500 mm² e mais, a empresa pretende retirar 2 kW de calor. Para resolver o problema, o TSMC ofereceu várias maneiras:
- DWC (Direct Water Cooling): os microcanais de refrigeração líquida estão localizados na camada superior do próprio cristal
- Si Lid com OX TIM: o resfriamento líquido é adicionado como uma camada separada com microcanais, a camada é conectada ao cristal principal via OX (Silicon Oxide Fusion) como uma interface térmica Material de interface térmica (TIM)
- Si Lid com LMT: metal líquido é usado em vez da camada de OX
Cada método foi testado usando uma célula de teste de cobre especial TTV (Thermal Test Vehicle) com uma área de superfície de 540 mm² e uma área total de cristal de 780 mm², equipada com sensores de temperatura. O TTV foi montado em um substrato que fornece energia. A temperatura do fluido no circuito era de 25°C.
Segundo a TSMC, o método mais eficaz é o Direct Water Cooling, ou seja, quando os microcanais estão localizados no próprio cristal. Usando esse método, a empresa conseguiu remover 2,6 kW de calor. A diferença de temperatura foi de 63°C. No caso de utilização do método OX TIM, foram alocados 2,3 kW com diferença de temperatura de 83°C. O método de utilização de metal líquido entre as camadas mostrou-se menos eficaz. Neste caso, foi possível retirar apenas 1,8 kW com uma diferença de 75°C.
A empresa observa que a resistência térmica deve ser a mais baixa possível, mas é nesse aspecto que se vê o principal obstáculo. Para o método DWC, tudo se baseia na transição entre o silício e o líquido. No caso de camadas separadas do cristal, é adicionada mais uma transição, que é melhor tratada pela camada OX.
Para criar microcanais na camada de silício, a TSMC sugere o uso de um cortador de diamante especial que cria canais com largura de 200-210 mícrons e profundidade de 400 mícrons. A espessura da camada de silício em substratos de 300 mm é de 750 μm. Esta camada deve ser a mais fina possível para facilitar a transferência de calor da camada inferior. A TSMC realizou uma série de testes usando diferentes tipos de túbulos: direcionais e em forma de colunas quadradas, ou seja, os túbulos são feitos em duas direções perpendiculares. Também foi feita uma comparação com uma camada sem o uso de túbulos.
A produtividade de dissipar a energia térmica de uma superfície sem túbulos foi insuficiente. Além disso, não melhora muito mesmo com um aumento no fluxo de refrigerante. Canais em duas direções (Pilar Quadrado) dão o melhor resultado, microcanais simples removem visivelmente menos calor. A vantagem do primeiro sobre o último é de 2 vezes.
A TSMC acredita que o resfriamento líquido direto de cristais é bem possível no futuro. Um radiador de metal não será mais instalado no chip, o líquido passará diretamente pela camada de silício, resfriando diretamente o cristal. Essa abordagem permitirá que vários quilowatts de calor sejam removidos do chip. Mas levará tempo para que essas soluções apareçam no mercado.
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