ผู้เชี่ยวชาญของบริษัทในการประชุม VLSI Symposium TSMC นำเสนอวิสัยทัศน์ในการรวมระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวเข้ากับชิปโดยตรง โซลูชันที่คล้ายกันสำหรับไมโครเซอร์กิตระบายความร้อนอาจพบการใช้งานในอนาคต เช่น ในศูนย์ข้อมูลซึ่งมักจะต้องกำจัดความร้อนเป็นกิโลวัตต์
ด้วยการเติบโตของความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ภายในชิปและการใช้เลย์เอาต์ 3 มิติที่รวมหลายชั้นเข้าด้วยกัน ความซับซ้อนของการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ผู้เชี่ยวชาญของ TSMC เชื่อว่าในอนาคต โซลูชันอาจมีแนวโน้มที่ดี ตามที่ไมโครแชนเนลของเหลวหล่อเย็นจะถูกรวมเข้ากับชิปด้วยตัวมันเอง ฟังดูน่าสนใจในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติ การนำแนวคิดนี้ไปใช้นั้นต้องใช้ความพยายามทางวิศวกรรมอย่างมหาศาล
เป้าหมายของ TSMC คือการพัฒนาระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวที่สามารถกระจายความร้อนได้ 10 วัตต์จากพื้นที่โปรเซสเซอร์หนึ่งตารางมิลลิเมตร ดังนั้น สำหรับชิปที่มีพื้นที่ 500 มม.² ขึ้นไป บริษัทตั้งเป้าที่จะขจัดความร้อน 2 กิโลวัตต์ เพื่อแก้ปัญหานี้ TSMC ได้เสนอวิธีการต่างๆ ดังนี้:
- DWC (Direct Water Cooling): ไมโครแชนเนลระบายความร้อนด้วยของเหลวอยู่ที่ชั้นบนของคริสตัลเอง
- Si Lid with OX TIM: เพิ่มการระบายความร้อนด้วยของเหลวเป็นชั้นที่แยกจากกันด้วยไมโครแชนเนล ชั้นเชื่อมต่อกับคริสตัลหลักผ่าน OX (Silicon Oxide Fusion) เป็นอินเทอร์เฟซระบายความร้อน Thermal Interface Material (TIM)
- Si Lid with LMT: ใช้โลหะเหลวแทนชั้น OX
แต่ละวิธีได้รับการทดสอบโดยใช้เซลล์ทดสอบทองแดง TTV (Thermal Test Vehicle) พิเศษที่มีพื้นที่ผิว 540 มม.² และพื้นที่ผลึกรวม 780 มม.² พร้อมเซ็นเซอร์อุณหภูมิ ติดตั้ง TTV บนวัสดุพิมพ์ที่ให้พลังงาน อุณหภูมิของของไหลในวงจรคือ 25 องศาเซลเซียส
ตาม TSMC วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือ Direct Water Cooling นั่นคือเมื่อไมโครแชนเนลอยู่ในคริสตัลเอง ด้วยวิธีนี้ บริษัทสามารถขจัดความร้อนได้ 2,6 กิโลวัตต์ ความแตกต่างของอุณหภูมิคือ 63°C ในกรณีของการใช้วิธีการ OX TIM ได้มีการจัดสรร 2,3 กิโลวัตต์โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิที่ 83°C วิธีการใช้โลหะเหลวระหว่างชั้นพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพน้อยกว่า ในกรณีนี้ สามารถถอดได้เพียง 1,8 กิโลวัตต์โดยมีความแตกต่าง 75 องศาเซลเซียส
บริษัทตั้งข้อสังเกตว่าความต้านทานความร้อนควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ในแง่นี้จะเห็นสิ่งกีดขวางหลัก สำหรับวิธี DWC ทุกอย่างขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงระหว่างซิลิกอนและของเหลว ในกรณีของชั้นของคริสตัลที่แยกจากกัน จะมีการเพิ่มทรานซิชันเพิ่มเข้าไปอีกหนึ่งขั้น ซึ่งชั้น OX จะจัดการได้ดีที่สุด
ในการสร้างไมโครแชนเนลในชั้นซิลิกอน TSMC แนะนำให้ใช้เครื่องตัดเพชรแบบพิเศษที่สร้างช่องที่มีความกว้าง 200-210 ไมครอนและความลึก 400 ไมครอน ความหนาของชั้นซิลิกอนบนพื้นผิว 300 มม. คือ 750 μm ชั้นนี้ควรบางที่สุดเพื่อให้ถ่ายเทความร้อนจากชั้นล่างได้ง่ายขึ้น TSMC ทำการทดสอบหลายครั้งโดยใช้ท่อประเภทต่างๆ: ทิศทางและในรูปแบบของคอลัมน์สี่เหลี่ยมนั่นคือท่อจะทำในสองทิศทางตั้งฉาก ทำการเปรียบเทียบด้วยเลเยอร์โดยไม่ต้องใช้ท่อ
ผลผลิตของการกระจายพลังงานความร้อนจากพื้นผิวที่ไม่มีท่อไม่เพียงพอ นอกจากนี้ มันไม่ได้ปรับปรุงอะไรมากแม้ว่ากระแสน้ำหล่อเย็นจะเพิ่มขึ้นก็ตาม แชนเนลสองทิศทาง (เสาสี่เหลี่ยม) ให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ไมโครแชนเนลธรรมดาขจัดความร้อนน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด ข้อได้เปรียบของอดีตเหนือกว่าคือ 2 เท่า
TSMC เชื่อว่าการระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรงของผลึกเป็นไปได้ค่อนข้างมากในอนาคต หม้อน้ำโลหะจะไม่ถูกติดตั้งบนชิปอีกต่อไป ของเหลวจะไหลผ่านชั้นซิลิกอนโดยตรง ทำให้คริสตัลเย็นลงโดยตรง วิธีการนี้จะช่วยให้สามารถถอดความร้อนหลายกิโลวัตต์ออกจากชิปได้ แต่จะต้องใช้เวลาก่อนที่โซลูชั่นดังกล่าวจะปรากฏในตลาด
อ่าน: