TSMC проводят исследования по жидкостному теплоотводу через каналы в кремниевых чипах - PC-01

Проблема отвода тепла от чипов в текущий момент является очень важной. Скорость развития полупроводников уменьшается, подходя всё ближе к физическим ограничениям, и для наращивания производительности приходится прибегать к повышению тепловыделения процессоров.

Очевидно, что в скором времени мы столкнёмся с тем, что чем лучше производитель смог обеспечить теплоотвод, тем быстрее будет само решение.

TSMC, которой придётся сталкиваться с более жёсткими требованиями к возможностям отвода тепла уже сейчас экспериментируют с возможными вариантами решения задачи.

В текущий момент компания находится на этапе, когда за счёт изменения формы кристалла увеличивается площадь контакта с жидкостью, но в будущем — технологии по формированию каналов для жидкости в кремнии должны позволить охлаждать промежуточные чипы в многоярусных сборках кристаллов.

Для исследований был сделаны образцы площадью 780 мм² с зоной нагрева 540 мм² (это сравнимо с крупными кристаллами видеокарт, например у RTX 3080 ti площадь — 627 мм²).

К ним подвели систему с цикрулирующей жидкостью, охлаждаемой до 25 градусов Цельсия:

Тестовых изделий было сделано 3 варианта:

С вытравленными дорожками в кремниевой подложке самого чипа
С дополнительным кремниевым слоем с каналами (посажен на основной кристалл через оксид кремния)
С применением жидкого металла для монтажа дополнительного слоя с каналами.

Наилучшие результаты показал самый сложный метод с травлением каналов в самом кристалле с чипом. Удалось отвести 2,6 кВатт при температуре +63 градуса к теплоносителю (итоговая температура 88 градуса Цельсия).

На втором месте — более простая технология с интеграцией второго кристалла с отдельными каналами при помощи оксида кремния. Удалось отвести 2,3 кВатт тепла с температурой +83 градуса Цельсия (итоговая температура 108 градусов).

И худший вариант — это с рассеиванием тепла с слоем жидкого металла: +75 градусов при тепловом потоке 1,8 кВатт (итоговая температура 100 градусов).

Однако даже наихудший результат является достаточно хорошим. К сожалению сравнений с омыванием плоского кристалла компания не сделала. Омывание плоского кристалла является не очень эффективной мерой охлаждения и этот метод проигрывает в сравнения с использованием медных ребрённых теплораспределителей, которые омываются жидкостью.