На днях исследователи компании IBM в сотрудничестве с институтом им. Фраунгофера (Берлин) продемонстрировали прототип, в котором каналы охлаждения интегрированы непосредственно в трёхмерную микросхему, а вода пропускается между слоями этого чипа.
В прошлом году корпорация IBM предложила технологию производства «слоёных» чипов, позволяющую почти в 1000 раз сократить расстояние, которое необходимо преодолевать информации в микросхеме, а также позволяет реализовать в 100 раз больше каналов для обмена данными по сравнению с двухмерными чипами. Если в традиционном чипе компоненты размещаются на кремниевой подложке рядом друг с другом, то в трёхмерном эти компоненты размещаются в несколько слоёв.
Совокупное тепловыделение трёхмерного чипа площадью 4 см2 и толщиной около 1 мм приближается к одному киловатту, что в 10 раз превышает тепловыделение электрической плитки. С целью эффективного отвода тепла от источника вода подаётся в расположенные между отдельными слоями чипа охлаждающие каналы, по толщине сравнимые с человеческим волосом (50 мкм).
При проведении экспериментов учёные пропускали воду через испытательный образец размером 1 ? 1 см, который состоял из двух пластин (источников тепла) с размещённым между ними охлаждающим слоем. Этот слой имел размеры всего около 100 микронов в высоту и 10 тыс. вертикальных межсоединений на один см2.
Исследователи смогли обеспечить максимальный поток воды сквозь слои, сохранив при этом герметичную изоляцию межсоединений, препятствующую электрическим замыканиям вследствие воздействия воды. Созданную систему охлаждения учёные сравнивают с человеческим мозгом, в пространстве которого миллионы нейронов для передачи сигналов пересекаются с десятками тысяч кровеносных сосудов для охлаждения и энергоснабжения, не влияя друг на друга.
Создание отдельных слоёв было достигнуто при использовании существующих методов производства, за исключением дополнительных операций, связанных с формированием отверстий для передачи сигналов между слоями. С целью изоляции этих «нервов» учёные оставили вокруг каждого межсоединения кремниевую оболочку (технология through-silicon vias) и добавили тонкий слой окиси кремния для защиты электрических межсоединений от воды. Такие структуры должны изготавливаться с точностью до 10 микронов, что в 10 раз превышает требования при изготовлении межсоединений и металлических элементов в современных чипах.
Для сборки отдельных слоёв группа учёных разработала сложную технологию тонкоплёночной пайки. С помощью этой технологии учёные достигли высоких показателей по качеству, точности и надёжности, что гарантирует хороший тепловой контакт и отсутствие электрических замыканий. На завершающем этапе собранный чип был помещён в кремниевый охлаждающий контейнер, напоминающий миниатюрный бассейн. Вода закачивается в этот контейнер с одной стороны, протекает между отдельными слоями чипа и отводится с другой стороны контейнера.
С помощью моделирования учёные экстраполировали экспериментальные результаты на чип площадью 4 см2, при этом расчётная холодопроизводительность составила 180 Вт/см2.
В дальнейшем исследователи займутся оптимизацией систем охлаждения для чипов с уменьшенными размерами и с увеличенным числом межсоединений. Кроме того, группа будет исследовать возможность дальнейшего совершенствования структур для охлаждения отдельных горячих точек.
Комментарии