Lösen Sie das Problem des 3D-Chipstapels und durchbrechen Sie die Grenze des Mooreschen Gesetzes

Um das Problem der Flüssigkeitskühlung beim Stapeln von 3D-Chips zu lösen, hat die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in Zusammenarbeit mit IBM und dem Georgia Institute of Technology ein verbessertes In-Chip-/Inter-Chip-Kühlprogramm entwickelt, das eine Isolierung verwendet dielektrisches Kältemittel (anstelle von Wasser).

Die Forscher, die an dem Prototyp arbeiten, sagen, dass die Methode die Kosten für die Kühlung der CPU eines Supercomputers senkt, indem Kältemittel durch den gesamten Mikrofluidik-Chipkanal und sicher zwischen den einzelnen Chips gepumpt werden, wodurch selbst das Innere des dicksten 3D-Chipstapels gekühlt wird.

Das ICECool-Programm der DARPA nutzt Mikrofluidik, um das Innere eines Substrats, Chips oder Gehäuses zu kühlen, in der Hoffnung, die Einschränkungen der Fernkühlung durch „eingebettetes“ Wärmemanagement zu überwinden.

„Unser Prototyp ist ein 8-Kern-Power7-Supercomputer“, sagt Tim Chainer, leitender Forscher am Watson-Forschungszentrum von IBM.

Durch die erzielten Fortschritte wird die Schnittstellentemperatur um 25 °C gesenkt [44], der Stromverbrauch um 7 % gesenkt und die Kühlarchitektur wird einfacher.

„Wir beabsichtigen außerdem, 3D-Chips in beliebiger Höhe stapelbar zu machen, um die Miniaturbeschränkungen des Mooreschen Gesetzes zu überwinden.“

Chainers Team arbeitete mit Forschern von IBM Research in Zürich zusammen und erhielt auch Unterstützung von Georgia Tech.

Herkömmliche Kühlmethoden für Klimaanlagen, die kalte Luft und Kühlkörper verwenden (oben), haben sich als weniger kühl als warmes Wasser (Mitte) erwiesen, und die im Rahmen des ICECool-Programms der DARPA entwickelte Technologie verspricht eine weitere Reduzierung von Größe und Kosten durch die Verwendung von dielektrischen Dämpfen (unten).

Chainer untersucht, wie der Wandel der Multicore-Architektur vor einigen Jahren die 5-GHz-Geschwindigkeitsbegrenzung von Prozessoren überwunden hat.

Jetzt kann die Schnittstellentemperatur um 44 °C gesenkt werden, sodass der Ingenieur den Impuls erneut starten kann.

Laut Chainer kann das Stapeln von 3D-Chips mit dielektrischer Kühlung auch die Miniaturisierungsgrenze des Mooreschen Gesetzes überwinden.

Beim Kühlen eines 3D-Chipstapels mit einer isolierenden dielektrischen Flüssigkeit verdampft die dielektrische Flüssigkeit und entzieht einem 50-Mikrometer-Stapel im Abstand von 100 Mikrometern Wärme, wodurch blanke Metalldurchgangslöcher zwischen den Chips verlaufen und Verbindungen wie bei Wasserkühlern ohne Kurzschlüsse entstehen -Schaltung.

„Wir leben im aufregendsten Moment der Computerinnovation“, sagt er, „während der Einfallsreichtum der Ingenieure die Grenzen des Mooreschen Gesetzes überwindet, die einst als unüberwindbar galten.“

Durch das Wasserkühlungssystem konnte IBM die Notwendigkeit einer Klimaanlage in Rechenzentren eliminieren.

Aber das isolierte dielektrische Dampfsystem, das für das ICECool-Projekt entwickelt wurde, macht auch Kühler (oben rechts) und Kühltürme (oben links) überflüssig.

Bevor sich IBM für den Einsatz des Solstice Ze r-1234ze von Honeywell entschied, evaluierte IBM ein Dutzend Kältemittel, da Kältemittel bei Raumtemperatur flüssig sind, bei normalen Chiptemperaturen (bis zu 85 oder 185 °C) jedoch verdampfen und dabei Wärme entziehen.

Da Kältemittel bei Raumtemperatur in ihren flüssigen Zustand zurückkehren, sind keine Kompressoren erforderlich, wie sie in herkömmlichen Kühlschränken verwendet werden.

Im Gegensatz dazu erfordert Solstice Ze r-1234ze nur die Führung einer Kupferrohrschlange, ähnlich einem Alkoholdestillierer oder einem Auto-Wärmerohr, um die flüssige Form über oder zwischen den Chips zurückzuleiten.

Honeywell-Kältemittel sind außerdem dielektrisch, sodass sie zwischen Chips gepumpt werden können, ohne dass eine Metallelementisolierung, einschließlich Siliziumperforation (TSV), erforderlich ist.

Mikrofluidische Kanäle können über einen einzigen Chip ausgeführt werden, der alle 3D-gestapelten Chips abdeckt.

Die beste Verwendung eines nichtkorrosiven Kältemittels auf einem 3D-Stapel besteht darin, den CMOS-Chip auf eine Dicke von 50 Mikrometern aufzuhellen und zwischen ihnen einen Spalt von 100 Mikrometern zu lassen.

Ein hohler rechteckiger Abstandshalter um den Rand herum enthält das Kältemittel im Stapel, wobei auf jeder Seite Verbindungen vorhanden sind, die Flüssigkeit auf einer Seite einpumpen und auf der anderen den Dampf abführen.

Der Dampf strömt dann durch den Destillierapparat, wodurch das Kältemittel wieder flüssig wird und zurück in den Spänestapel gepumpt werden kann.

„Wir erwarten von Herstellern umweltfreundlicher Kältemittel wie Honeywell und 3M, dass sie maßgeschneiderte Formulierungen für die Halbleiterindustrie erforschen und produzieren, aber Solstice r-1234ze ist das beste Produkt, das wir finden können“, sagt Chainer.

Während sich IBM und Georgia Tech im Rahmen des ICECool-Programms auf kommerzielle Hochleistungscomputer konzentrieren, produzieren Unternehmen wie Raytheon und Boeing Lösungen, die zur Kühlung von Radargeräten und anderen UHF-Geräten in Verteidigungsanwendungen verwendet werden können.

Das DARPA-Programm erreichte sein Ziel in etwa vier Jahren.

Jetzt übertragen IBM, Raytheon und Boeing Technologie von ihren Forschungslabors auf die Fertigung.

Es wird erwartet, dass diese Technologien bereits 2018 in kommerziellen Produkten und militärischer Ausrüstung verfügbar sein werden.

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