На конференции VLSI Symposium разработчики TSMC показали интересное решение охлаждения чипов, которое может найти применение в будущем. Суть в том, что система водяного охлаждения интегрируется непосредственно в сам чип. Ранее TSMC провела соответствующие исследования, во всех случаях на верхнем слое кристалла были нанесены микроканальцы. Для TSMC и других производителей полупроводников подобное решение имеет хорошие перспективы, не лишним будет рассмотреть его подробнее.
Начнем с общего вопроса: зачем нужно прямое водяное охлаждение чипа? Решения, подобные ускорителю NVIDIA A100 на модуле SXM4 с памятью HBM2E, могут выделять до 500 Вт тепла. Чип Intel Xe-HPC Ponte Vecchio - до 600 Вт. Поэтому вопрос охлаждения чипов стоит весьма остро, несмотря на современные техпроцессы. Водяное охлаждение в сегменте дата-центров используется все чаще. Но водоблоки устанавливаются на процессор или ускоритель, после чего они отводят тепло в контур. Проблема в том, что площадь чипа - несколько сотен квадратных миллиметров, и отводить тепло более 400 Вт со столь небольшой площади весьма проблематично.
Кроме того, в будущем вырастет доля чипов с интеграцией нескольких кристаллов в 3D. Та же AMD в конце 2021 года/начале 2022 предложит процессоры с дополнительным кэшем 3D V-Cache, который будет дополнять SRAM. Дополнительный кэш установлен на участках кристалла L3, а не на ядрах Zen 3, что тоже связано с тепловыделением ядер. И в будущем можно ожидать более сложных конструкций с 3D-стеком. Intel пришлось с ускорителями Ponte Vecchio увеличивать площадь, но если планируется идти путем увеличения толщины, то вопрос охлаждения нижних слоев кристаллов будет более актуален.
Цель TSMC заключается в разработке системы охлаждения, которая будет отводить 10 Вт с квадратного миллиметра. Конечно, все зависит от размера чипа, но 10 Вт/мм² - цель весьма амбициозная. У крупных чипов (500 мм² и больше) TSMC нацеливается на отведение 2 кВт тепла.
Разработаны несколько методов водяного охлаждения кристалла. Чтобы минимизировать вероятность появления ошибок, сами кристаллы производятся отдельно, после чего к ним добавляется охлаждение. Варианты следующие.
- DWC (Direct Water Cooling): микроканальцы водяного охлаждения проделаны в верхнем слое самого кристалла
- Si Lid with OX TIM: водяное охлаждение добавляется как отдельный слой с микроканальцами, с основным кристаллом слой стыкуется через OX (Silicon Oxide Fusion) в качестве теплопередающего интерфейса Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lid with LMT: вместо слоя OX используется жидкий металл
Чтобы проделать микроканальцы в слое кремния, используется специальная фрезеровка. Алмазная фреза проделывает каналы шириной 200-210 мкм и глубиной 400 мкм. Толщина слоя кремния на 300-мм подложках составляет 750 мкм. Конечно, данный слой должен быть как можно тоньше, чтобы облегчать передачу тепла с нижнего слоя. TSMC также тестировала как направленные канальцы, так и квадратные колонны (то есть канальцы проделаны в двух перпендикулярных направлениях). Проводилось сравнение и со слоем без канальцев вообще.
Для нагрева использовался медный элемент TTV (Thermal Test Vehicle). Датчики температуры располагались непосредственно в элементе нагрева. Поверхность элемента составляла 540 мм², а общая площадь кристалла - 780 мм². TTV устанавливался на подложку, которая подает питание. Температура жидкости в контуре составляла 25 °C.
Результаты выглядят следующим образом:
В случае Direct Water Cooling, то есть когда мироканальцы расположены в самом кристалле, TSMC смогла добиться отведения 2,6 кВт тепла. Разница по температуре составила 63 °C. Если два кристалла соединены OX TIM, TSMC смогла отвести 2,3 кВт, разница по температуре 83 °C. Жидкий металл между слоями привел к отведению всего 1,8 кВт с разницей 75 °C. TSMC также тестировала два потока жидкости: 2 л в минуту и 5,8 л в минуту. Приведенная выше информация верна для 5,8 л в минуту, поскольку слабый поток уже не имел смысла на практике.
Тепловое сопротивление должно быть как можно ниже. Здесь TSMC видит основное препятствие. Для DWC все упирается в переход между кремнием и жидкостью. В случае же раздельных слоев кристалла добавляется еще один переход, с которым лучше всего справляется слой OX.
TSMC также ответила на вопрос, какая именно структура канальцев лучше. Производительность TDP поверхности без канальцев недостаточная, она не так сильно улучшается при увеличении потока. Канальцы в двух направлениях (Square Pillar) дают наилучший результат, простые микроканальцы отводят заметно меньше тепла. Причем преимущество составляет до двух раз.
TSMC считает, что в будущем весьма вероятно прямое водяное охлаждение кристаллов. То есть на чип больше не будет устанавливаться металлический радиатор, жидкость будет проходить напрямую через корпусировку, охлаждая кристалл. Такой подход позволит отводить от чипа несколько киловатт тепла. Но пройдет еще какое-то время, прежде чем мы увидим подобные решения на практике. Разные производители полупроводников уже тестируют схожие системы охлаждения.
Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).