TSMC, au récent colloque VLSI, a présenté les résultats de son recherche relative au refroidissement par eau sur puce pour lutter contre les problèmes liés à la dissipation thermique, une méthode qui implique laintégration de canaux d’eau directement dans la conception des mêmes composants. Alors que les transistors sont de plus en plus compressés ensemble en raison de technologies de fabrication plus denses et de l’ajout d’empilements verticaux de puces 3D, la température devient un problème de plus en plus critique à résoudre. Les chercheurs de TSMC pensent que la solution est de permettre à l’eau de circuler entre les circuits. C’est une solution théorique incroyablement simple, mais c’est un exploit d’ingénierie extrêmement difficile à accomplir en toute sécurité pour l’électronique.
Crédit : TSMC
Les solutions de refroidissement actuelles fonctionnent généralement par contact direct avec le heatpreader, les technologies de contact direct avec matrice ou l’immersion complète dans un fluide non conducteur. Parmi ceux-ci, les deux premiers ne peuvent refroidir efficacement que les couches avec lesquelles ils sont directement en contact, ce qui entraîne d’énormes problèmes pour l’empilement vertical des puces. En fait, les couches inférieures auront beaucoup plus de mal à dissiper leur chaleur, ce qui entraînera des dommages ou des étranglements, tous deux préjudiciables aux performances. Non seulement cela, mais la couche supérieure subira une plus grande contrainte car elle devra essentiellement transporter la chaleur de l’ensemble de l’emballage à travers la couche de dissipation. De plus, l’immersion dans un liquide non conducteur, bien qu’efficace et sans doute meilleure pour les matrices empilées, est coûteuse et difficile à mettre en œuvre dans des scénarios professionnels déjà configurés pour le refroidissement traditionnel par air ou par eau.
TSMC a testé un semi-conducteur factice – un Véhicule d’essai thermique (TTV), qui est essentiellement un élément de cuivre – dans des conditions de laboratoire contrôlées. La société a testé trois types d’intégration de canaux : elle utilisait un canal à piliers, où l’eau pouvait s’écouler autour des piliers semi-conducteurs actifs pour les refroidir, une conception comportant une conception en tranchée et un canal simple pour l’eau sur le reste de la puce de silicium. L’eau passait à travers un mécanisme de refroidissement externe qui abaissait la température à 25 °C après avoir traversé le silicium.
Crédit : TSMC
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La société a également testé trois conceptions de refroidissement par eau – une avec solo refroidissement direct par eau (DWC), dans laquelle l’eau a ses propres canaux de circulation gravés directement dans le silicium dans le cadre du processus de production ; une autre conception avec des canaux d’eau gravés dans leur propre couche de silicium au-dessus de la puce réelle, avec une couche de Matériau d’interface thermique (TIM) de BŒUF (Fusion d’oxyde de silicium) qui transportait la chaleur de la puce à la couche de refroidissement par eau ; et enfin une conception qui a remplacé la couche OX par une solution de métal liquide plus simple et moins chère. TSMC a signalé que la meilleure solution était de loin la première, qui pouvait dissiper jusqu’à 2,6 kW de chaleur et offrait un delta de température de 63 ° C. Le second était celui à base d’OX TIM, qui pouvait tout de même dissiper jusqu’à 2,3kW de chaleur et offrait un delta de température de 83°C. La solution de métal liquide est arrivée en dernier, réussissant tout de même à dissiper jusqu’à 1,8kW (delta de température de 75°C). De tous les projets impliquant le passage de l’eau, celui basé sur des piliers était de loin le meilleur.
Bien entendu, il faudra des années avant que des solutions de refroidissement aussi sophistiquées ne soient adoptées dans les produits fabriqués en série. Mais c’est certainement l’une des voies à suivre pour permettre des augmentations continues de la densité des transistors et le développement des puces 3D.
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