TSMC, al recente simposio VLSI, ha presentato i risultati delle sue ricerche inerenti al raffreddamento ad acqua on-chip per combattere i problemi relativi alla dissipazione del calore, metodo che comporta l’integrazione di canali per l’acqua direttamente nel design degli stessi componenti. Man mano che i transistor vengono sempre più compressi insieme a causa delle tecnologie di produzione più dense e dell’aggiunta di stack verticali di chip 3D, la temperatura diventa un problema sempre più critico da affrontare. I ricercatori di TSMC pensano che la soluzione sia di permettere all’acqua di fluire tra i circuiti. È una soluzione teorica incredibilmente semplice, ma è un’impresa ingegneristica estremamente difficile da realizzare in sicurezza per l’elettronica.

Le attuali soluzioni di raffreddamento funzionano in genere tramite il contatto diretto con l’heatspreader, tecnologie di contatto diretto con il die o immersione completa in un fluido non conduttore. Di queste, le prime due possono raffreddare in modo efficiente solo gli strati con cui sono direttamente a contatto, il che comporta enormi problemi per l’impilamento verticale dei chip. Infatti, gli strati inferiori avranno molti più problemi a dissipare il loro calore, portando a danni o al throttling, entrambi i quali sarebbero negativi per le prestazioni. Non solo, ma lo strato superiore subirà una maggiore sollecitazione in quanto dovrà essenzialmente trasportare il calore dell’intero package attraverso lo strato di dissipazione. Inoltre, l’immersione in un liquido non conduttivo, sebbene efficiente e probabilmente migliore per i die impilati, è costosa e difficile da implementare in scenari professionali già predisposti per il raffreddamento ad aria o ad acqua tradizionale.

TSMC ha effettuato test su un semiconduttore fittizio – un Thermal Test Vehicle (TTV), che è essenzialmente un elemento in rame – in condizioni di laboratorio controllate. L’azienda ha testato tre tipi di integrazione del canale: ha utilizzato un canale basato su pilastri, in cui l’acqua poteva scorrere attorno a pilastri di semiconduttori attivi per raffreddarli, un progetto caratterizzato da un design a trincea e un semplice canale per l’acqua sopra il resto del chip di silicio. L’acqua è stata fatta passare attraverso un meccanismo di raffreddamento esterno che diminuiva la temperatura sino a 25 ºC dopo aver attraversato il silicio.

L’azienda ha inoltre testato tre design di raffreddamento ad acqua: uno con solo raffreddamento ad acqua diretto (DWC), in cui l’acqua ha i propri canali di circolazione incisi direttamente nel silicio come parte del processo di produzione; un altro design con canali d’acqua incisi nel proprio strato di silicio sopra il chip vero e proprio, con uno strato di Thermal Interface Material (TIM) di OX (Silicon Oxide Fusion) che trasportava calore dal chip allo strato di raffreddamento ad acqua; e infine un design che sostituiva lo strato OX con una più semplice ed economica soluzione di metallo liquido. TSMC ha riferito che la soluzione migliore era di gran lunga la prima, che poteva dissipare fino a 2,6kW di calore e offriva un delta di temperatura di 63°C. La seconda è stata quella basata su OX TIM, che poteva ancora dissipare fino a 2,3kW di calore e offriva un delta di temperatura di 83°C. La soluzione in metallo liquido è arrivata per ultima, riuscendo comunque a dissipare fino a 1,8kW (delta di temperatura di 75°C). Di tutti i progetti inerenti al passaggio dell’acqua, quello basato su pilastri è stato di gran lunga il migliore.

Naturalmente, ci vorranno anni prima che soluzioni di raffreddamento così sofisticate vengano adottate nei prodotti di massa. Ma questa è sicuramente una delle strade da seguire per consentire continui aumenti della densità dei transistor e dello sviluppo di chip 3D.

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