Des spécialistes de l'entreprise à la conférence VLSI Symposium TSMC ont présenté leur vision d'intégrer un système de refroidissement liquide directement dans la puce. Une solution similaire pour le refroidissement des microcircuits pourrait trouver une application à l'avenir, par exemple dans les centres de données, où des kilowatts de chaleur doivent souvent être évacués.
Avec la croissance de la densité des transistors à l'intérieur des puces et l'utilisation d'une disposition 3D combinant plusieurs couches, la complexité de leur refroidissement effectif augmente également. Les experts de TSMC estiment qu'à l'avenir, des solutions pourraient être prometteuses, selon lesquelles des microcanaux de liquide de refroidissement seront intégrés dans la puce elle-même. Cela semble intéressant en théorie, mais en pratique, la mise en œuvre de cette idée nécessite d'énormes efforts d'ingénierie.
L'objectif de TSMC est de développer un système de refroidissement liquide capable de dissiper 10 watts de chaleur à partir d'un millimètre carré de surface de processeur. Ainsi, pour les puces d'une surface de 500 mm² et plus, l'entreprise vise à évacuer 2 kW de chaleur. Pour résoudre le problème, TSMC a proposé plusieurs méthodes :
- DWC (Direct Water Cooling): les microcanaux de refroidissement liquide sont situés dans la couche supérieure du cristal lui-même
- Si Lid avec OX TIM : le refroidissement liquide est ajouté en tant que couche séparée avec des microcanaux, la couche est connectée au cristal principal via OX (Silicon Oxide Fusion) en tant qu'interface thermique Matériau d'interface thermique (TIM)
- Couvercle Si avec LMT : du métal liquide est utilisé à la place de la couche OX
Chaque méthode a été testée à l'aide d'une cellule de test en cuivre spéciale TTV (Thermal Test Vehicle) d'une surface de 540 mm² et d'une surface cristalline totale de 780 mm², équipée de capteurs de température. Le TTV a été monté sur un substrat qui fournit de l'énergie. La température du fluide dans le circuit était de 25°C.
Selon TSMC, la méthode la plus efficace est le refroidissement direct par eau, c'est-à-dire lorsque les microcanaux sont situés dans le cristal lui-même. Grâce à cette méthode, l'entreprise a pu évacuer 2,6 kW de chaleur. La différence de température était de 63°C. Dans le cas de l'utilisation de la méthode OX TIM, 2,3 kW ont été alloués avec une différence de température de 83°C. La méthode consistant à utiliser du métal liquide entre les couches s'est avérée moins efficace. Dans ce cas, il n'a été possible d'enlever que 1,8 kW avec une différence de 75°C.
La société note que la résistance thermique doit être aussi faible que possible, mais c'est sous cet aspect que l'on voit le principal obstacle. Pour la méthode DWC, tout repose sur la transition entre le silicium et le liquide. Dans le cas de couches séparées du cristal, une transition supplémentaire est ajoutée, qui est mieux gérée par la couche OX.
Pour créer des microcanaux dans la couche de silicium, TSMC suggère d'utiliser une fraise diamantée spéciale qui crée des canaux d'une largeur de 200 à 210 microns et d'une profondeur de 400 microns. L'épaisseur de la couche de silicium sur des substrats de 300 mm est de 750 µm. Cette couche doit être aussi mince que possible pour faciliter le transfert de chaleur depuis la couche inférieure. TSMC a effectué un certain nombre de tests en utilisant différents types de tubules: directionnels et sous forme de colonnes carrées, c'est-à-dire que les tubules sont réalisés dans deux directions perpendiculaires. Une comparaison a également été faite avec une couche sans l'utilisation de tubules.
La productivité de dissipation de puissance thermique à partir d'une surface sans tubules était insuffisante. De plus, il ne s'améliore pas beaucoup même avec une augmentation du débit de liquide de refroidissement. Les canaux dans deux directions (pilier carré) donnent le meilleur résultat, les microcanaux simples éliminent beaucoup moins de chaleur. L'avantage du premier sur le second est de 2 fois.
TSMC pense que le refroidissement liquide direct des cristaux est tout à fait possible à l'avenir. Un radiateur métallique ne sera plus installé sur la puce, le liquide traversera directement la couche de silicium, refroidissant directement le cristal. Cette approche permettra d'éliminer plusieurs kilowatts de chaleur de la puce. Mais il faudra du temps pour que de telles solutions apparaissent sur le marché.
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