Na conferência VLSI Symposium, os especialistas da TSMC apresentaram sua visão de integrar um sistema de refrigeração líquida diretamente em um chip. Uma solução semelhante para o resfriamento de microcircuitos pode encontrar aplicação no futuro, por exemplo, em centros de dados, onde muitas vezes é necessário remover quilowatts de calor.

Com o aumento da densidade dos transistores dentro dos chips e o uso de um layout 3D que combina várias camadas, a complexidade de seu resfriamento eficiente também aumenta. Os especialistas da TSMC acreditam que no futuro pode haver soluções promissoras de acordo com as quais os microtúbulos do líquido de resfriamento serão integrados ao próprio chip. Parece interessante na teoria, mas na prática, a implementação dessa ideia exigirá um tremendo esforço de engenharia.

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Os modernos sistemas de refrigeração líquida para o segmento de servidores geralmente usam dois tipos de LSS. Isso é o contato direto do líquido com a tampa de transferência de calor do processador ou a imersão completa do sistema em um líquido não condutor. As desvantagens da primeira solução estão relacionadas às características estruturais dos processadores modernos. Eles consistem em várias camadas e um LSS semelhante é capaz de remover efetivamente o calor apenas daquela camada do chip com a qual o refrigerante está em contato direto. As camadas inferiores do chip, por sua vez, terão mais dificuldade para dissipar a energia térmica. A dificuldade também reside no fato de que neste caso há uma carga adicional na camada de contato, uma vez que todo o calor das demais camadas do chip passa por ela. Já o segundo método é eficaz, mas na maioria dos casos não é economicamente justificado.

O objetivo da TSMC é desenvolver um sistema de refrigeração líquida capaz de dissipar 10 watts de calor por milímetro quadrado de área ocupada pelo processador. Assim, para cavacos com área igual ou superior a 500 mm², a empresa pretende retirar 2 kW de calor. Para resolver o problema, a TSMC ofereceu várias maneiras:

  • DWC (Direct Water Cooling): microtúbulos de refrigeração líquida são formados na camada superior do próprio cristal;
  • Tampa de Si com OX TIM: o resfriamento líquido é adicionado como uma camada separada com microtúbulos, com o cristal principal a camada é unida por OX (Fusão de Óxido de Silício) como uma interface térmica Material de Interface Térmica (TIM);
  • Tampa de Si com LMT: Metal líquido é usado em vez da camada OX.

Cada método foi testado usando um elemento de teste de cobre TTV (Thermal Test Vehicle) especial com uma área de superfície de 540 mm² e uma área total de cristal de 780 mm², equipado com sensores de temperatura. O TTV foi montado em um substrato que fornece energia. A temperatura do líquido no circuito era de 25 ° C.

Segundo a TSMC, o método mais eficaz é o Resfriamento Direto com Água, ou seja, quando os microtúbulos estão localizados no próprio cristal. Usando esse método, a empresa foi capaz de atingir uma dissipação de calor de 2,6 kW. A diferença de temperatura foi de 63 ° C. No caso do método OX TIM, 2,3 kW foi retirado com uma diferença de temperatura de 83 ° C. O método de usar metal líquido entre as camadas provou ser menos eficaz. Neste caso, apenas 1,8 kW foi removido com uma diferença de 75 ° C. A TSMC também testou dois fluxos de fluido: 2 litros por minuto e 5,8 litros por minuto. As informações acima estão corretas para 5,8 litros por minuto, uma vez que o baixo fluxo não fazia mais sentido na prática.

A empresa observa que a resistência térmica deve ser a mais baixa possível, mas esse aspecto é visto como o principal obstáculo. Para o método DWC, tudo depende da transição entre o silício e o líquido. No caso de camadas de cristal separadas, outra transição é adicionada, que é melhor tratada pela camada OX.

Para criar microcanais em uma camada de silício, a TSMC propõe o uso de um cortador de diamante especial, que cria canais de 200-210 µm de largura e 400 µm de profundidade. A espessura da camada de silício em substratos de 300 mm é de 750 mícrons. Essa camada deve ser o mais fina possível para facilitar a transferência de calor da camada subjacente. A TSMC realizou uma série de testes utilizando diferentes tipos de túbulos: direcionais e em forma de colunas quadradas, ou seja, os túbulos são feitos em duas direções perpendiculares. A comparação também foi feita com a camada sem o uso de túbulos.

O desempenho de dissipação de calor da superfície tubuleless foi considerado insuficiente. Além disso, não melhora muito quando o fluxo do refrigerante é aumentado. Túbulos em duas direções (Pilar Quadrado) fornecem os melhores resultados, microtúbulos simples removem notavelmente menos calor. A vantagem do primeiro sobre o segundo é de até duas vezes.

A TSMC acredita que o resfriamento líquido direto de cristais é muito provável no futuro. Um dissipador de calor 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 algum tempo para que tais soluções apareçam no mercado. Vários fabricantes de componentes semicondutores já estão testando esse LSS.

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