芯耀
197
與非網(wǎng)7月14日訊 臺(tái)積電最近在VLSI 研討會(huì)上展示了其對(duì)片上水冷的研究，作為解決散熱問題的一種方法。它涉及將水道直接集成到芯片的設(shè)計(jì)中。
對(duì)現(xiàn)在高性能芯片來說，散熱是一個(gè)棘手的問題。除了傳統(tǒng)的加裝散熱器使用風(fēng)冷散熱，水冷散熱似乎成了一個(gè)更為高效的選擇。像微軟這樣的業(yè)界巨頭，甚至將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器放進(jìn)海中或者將設(shè)備浸泡在特殊液體里，提高散熱的效率。
首先，我們應(yīng)該問自己為什么可能需要在芯片內(nèi)部或芯片上進(jìn)行直接水冷。像NVIDIA的A100加速器這樣的芯片，連同HBM2E和作為SXM4模塊，已經(jīng)有高達(dá)500W的廢熱。對(duì)于英特爾的Xe-HPC芯片Ponte Vecchio來說，甚至還有高達(dá)600W的余熱。因此，盡管采用現(xiàn)代制造技術(shù)，冷卻此類芯片變得越來越困難。水冷在數(shù)據(jù)中心區(qū)域沒有什么特別之處。冷卻器安裝在處理器和加速器上，去除廢熱。但即使芯片的面積有幾百平方毫米，在這么小的面積上產(chǎn)生400+W范圍的廢熱也不容易處理。
此外，未來將越來越多地使用具有3D集成的芯片。 從 2021 年底/2022 年初開始，AMD 將使用 3D V-Cache 作為處理器的附加 SRAM。額外的緩存直接位于現(xiàn)有的 L3 緩存之上，而不是位于 Zen 3 核心之上，這將使冷卻它們變得更加困難。但 3D 堆疊不會(huì)就此止步；越來越復(fù)雜的連接正在計(jì)劃中。如果您不想在 X 和 Y 方向完全擴(kuò)展它們，就像 Ponte Vecchio 的情況，那么在較低層堆疊和冷卻芯片變得越來越重要。
臺(tái)積電的研究人員認(rèn)為解決方案是讓水在夾層電路之間流動(dòng)。這是一個(gè)非常簡單的理論解決方案，但對(duì)于電子產(chǎn)品而言，這是一項(xiàng)極其困難的工程壯舉。
數(shù)學(xué)很簡單：當(dāng)前的冷卻解決方案通常通過與給定芯片的散熱器直接接觸、直接芯片接觸技術(shù)或完全浸沒在非導(dǎo)電流體中來工作。其中，前兩種解決方案只能有效地冷卻它們直接接觸的層，這給垂直芯片堆疊帶來了巨大的問題。較低的層在散熱方面會(huì)遇到更多困難，會(huì)造成損壞或不得不節(jié)流，這兩種情況都會(huì)對(duì)性能不利。
不僅如此，由于必須將整個(gè)封裝的熱量傳遞到散熱層，芯片的頂層還會(huì)增加壓力。液體浸沒雖然效率高且可能更適合堆疊芯片，但成本昂貴且難以部署在已經(jīng)適合空氣或傳統(tǒng)水冷的專業(yè)場景中。
臺(tái)積電在受控實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)虛擬半導(dǎo)體進(jìn)行了測試——一種熱測試載體 (TTV)，它本質(zhì)上是一種由銅制成的加熱元件。該公司在受控條件下測試了三種類型的硅水通道集成：它使用基于柱的通道，水可以在有源半導(dǎo)體柱周圍流動(dòng)以冷卻它們（想想島嶼周圍的水）；以溝渠設(shè)計(jì)為特色的設(shè)計(jì)（想象一條河流，由其海岸控制）；以及位于硅芯片其余部分的簡單平坦的水道。水通過一個(gè)外部冷卻機(jī)制，從它通過硅芯片的過程中將水冷卻到 25 ºC。
為了將通道加工到硅中，使用了一種技術(shù)，該技術(shù)也用于從晶片上切割芯片。金剛石鋸可切割 200 至 210 µm 寬和 400 µm 深的通道。對(duì)于 300 mm 晶片，硅層的厚度為 750 µm。該層當(dāng)然應(yīng)該盡可能薄，以簡化來自下方有源芯片的熱傳遞。臺(tái)積電還測試了一個(gè)方向的通道是否足夠，或者方柱（即橫截面和縱向截面）是否提供最好的散熱。還測試了沒有通道的簡單平面。
TV（Thermal Test Vehicle）由銅制加熱元件組成。加熱元件本身有溫度傳感器。加熱元件的表面為 540 mm²，TTV 的總面積為 780 mm²。TTV 在它自己的基地中被拉伸，這使得電力供應(yīng)、供水和排放以及傳感器的連接成為可能。在25°C的恒溫下引入水。
對(duì)于直接水冷，即芯片本身存在冷卻，臺(tái)積電設(shè)法散發(fā) 2.6 kW 的廢熱。溫差為 63°C。芯片與硅層之間采用OX TIM水冷連接，臺(tái)積電可以散掉2.3kW的廢熱，溫差為83°C。兩層之間的液態(tài)金屬僅能去除 1.8 kW 和 75°C 的溫差。臺(tái)積電還測試了兩種流速——一種是每分鐘 2 升，一種是每分鐘 5.8 升。然而，關(guān)于廢熱和溫差的信息僅為每分鐘 5.8 升，因?yàn)檫@是獲得可行值的唯一方法。
熱阻應(yīng)盡可能低。臺(tái)積電還確定了傳熱的最大障礙在哪里。對(duì)于 DWC，只有硅和水之間的過渡是最大的困難。如果使用單獨(dú)的電平，這里還有另一個(gè)過渡，最好通過 OX 連接來解決。
該公司進(jìn)一步測試了三種類型的水冷設(shè)計(jì)：一種只有直接水冷 (DWC)，作為制造過程的一部分，水有自己的循環(huán)通道直接蝕刻到芯片的硅中；另一種設(shè)計(jì)將水通道蝕刻到芯片頂部自己的硅層中，使用 OX（氧化硅融合）的熱界面材料 (TIM) 層將熱量從芯片傳遞到水冷層；最后是一種將 OX 層換成更簡單、更便宜的液態(tài)金屬解決方案的設(shè)計(jì)。
臺(tái)積電報(bào)告稱，目前最好的解決方案是直接水冷方法，它可以散發(fā)高達(dá) 2.6 kW 的熱量，并提供 63 ºC 的溫差。第二好的設(shè)計(jì)自然是基于 OX TIM 的設(shè)計(jì)，它仍然可以散發(fā)高達(dá) 2.3 kW 的熱量，并提供 83 ºC 的溫差。液態(tài)金屬溶液排在最后，仍然設(shè)法耗散高達(dá) 1.8 kW（75 º C 的溫度增量）。在所有的水流設(shè)計(jì)中，柱式設(shè)計(jì)是迄今為止最好的。
臺(tái)積電的目標(biāo)是開發(fā)每平方毫米 10 W 范圍內(nèi)的廢熱冷卻解決方案。根據(jù)芯片的大小，這個(gè) 10 W/mm² 是非常有野心的。對(duì)于更大的芯片（500 平方毫米及以上），臺(tái)積電的目標(biāo)是 2,000 瓦（2 千瓦）的 TDP。
當(dāng)被問到哪種通道結(jié)構(gòu)更好時(shí)，臺(tái)積電也有明確的回答：平面的TDP性能不足，并不會(huì)隨著流量的增加而顯著提高。通道在兩個(gè)方向（方柱）都能提供最佳效果，而簡單的通道可以顯著減少廢熱。我們正在談?wù)摳玫纳嵝Ч?/p>
臺(tái)積電認(rèn)為，未來的芯片完全有可能以更直接的方式提供水冷。然后芯片上不再有金屬冷卻器，而是直接通過硅層供給水并冷卻下面的芯片。因此應(yīng)該能夠消散幾千瓦的廢熱。我們可能需要一些時(shí)間才能在實(shí)踐中看到這樣的解決方案。各種制造商仍在評(píng)估這種類型的冷卻。
當(dāng)然，這種奇特的冷卻解決方案要被主流采用還需要數(shù)年時(shí)間。但這絕對(duì)是實(shí)現(xiàn)晶體管密度持續(xù)增加、每區(qū)域性能指標(biāo)持續(xù)改進(jìn)以及未來 3D 半導(dǎo)體的前進(jìn)方向之一。
