VLSI シンポジウム会議での企業スペシャリスト TSMC 液体冷却システムをチップに直接統合するという彼らのビジョンを発表しました。 マイクロ回路を冷却するための同様のソリューションは、将来、たとえば、キロワットの熱を頻繁に除去する必要があるデータセンターなどに適用される可能性があります。
チップ内のトランジスタ密度の増加と、いくつかの層を組み合わせた3Dレイアウトの使用により、効果的な冷却の複雑さも増しています。 TSMCの専門家は、将来的には、冷却液マイクロチャネルがチップ自体に統合されるソリューションが有望になる可能性があると考えています。 理論的には興味深いように思えますが、実際には、このアイデアを実装するには膨大なエンジニアリング作業が必要です。
TSMC の目標は、10 平方ミリメートルのプロセッサ領域から 500 ワットの熱を放散できる液体冷却システムを開発することです。 したがって、面積が2mm²以上のチップの場合、同社は kWの熱を除去することを目指しています。 この問題を解決するために、TSMC はいくつかの方法を提供しました。
- DWC (Direct Water Cooling): 液体冷却マイクロチャネルが結晶自体の上層に配置されています。
- OX TIM を備えた Si リッド: 液体冷却は、マイクロチャネルを備えた別の層として追加され、層は、熱インターフェイスとして OX (シリコン酸化物融合) を介してメイン結晶に接続されます。 熱インターフェイス材料 (TIM)
- LMT 付き Si リッド: OX 層の代わりに液体金属を使用
各方法は、温度センサーを備えた、表面積540mm²、総結晶面積780mm²の特別なTTV（熱試験車両）銅テストセルを使用してテストされました。 TTV は、電源を供給する基板に取り付けられました。 回路内の流体の温度は 25°C でした。
TSMC によると、最も効果的な方法は直接水冷、つまりマイクロチャネルが結晶自体にある場合です。 この方法を使用して、同社は 2,6 kW の熱を除去することができました。 温度差は63℃でした。 OX TIM方式の場合、温度差2,3℃で83kWが割り当てられました。 層の間に液体金属を使用する方法は、効果が低いことが判明しました。 この場合、1,8℃の差で75kWしか除去できませんでした。
同社は、熱抵抗をできるだけ低くする必要があると述べていますが、主な障害が見られるのはこの側面です。 DWC 法では、すべてがシリコンと液体の間の移行にかかっています。 結晶の別々の層の場合、もう つの遷移が追加されますが、これは OX 層によって最も適切に処理されます。
TSMC は、シリコン層にマイクロチャネルを作成するために、幅 200 ～ 210 ミクロン、深さ 400 ミクロンのチャネルを作成する特殊なダイヤモンド カッターの使用を提案しています。 300 mm 基板上のシリコン層の厚さは 750 μm です。 この層は、下層からの熱伝達を促進するために、できるだけ薄くする必要があります。 TSMCは、さまざまなタイプの細管を使用して多くのテストを実施しました。方向性と正方形の柱の形です。つまり、細管はつの垂直方向に作られています。 細管を使用しない層との比較も行った。
細管のない表面から熱出力を放散する生産性は不十分でした。 また、冷却水量を増やしてもあまり改善されません。 2 方向のチャネル (角柱) が最良の結果をもたらします。単純なマイクロチャネルは、熱の除去が著しく少なくなります。 後者に対する前者の利点は倍です。
TSMC は、結晶の直接液体冷却が将来的に可能になると考えています。 金属ラジエーターがチップに取り付けられなくなり、液体がシリコン層を直接通過し、結晶を直接冷却します。 このアプローチにより、チップから数キロワットの熱を取り除くことができます。 しかし、そのようなソリューションが市場に登場するには時間がかかるでしょう。
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