Spesialis perusahaan di konferensi Simposium VLSI TSMC mempresentasikan visi mereka untuk mengintegrasikan sistem pendingin cair langsung ke dalam chip. Solusi serupa untuk mendinginkan sirkuit mikro dapat diterapkan di masa mendatang, misalnya, di pusat data, di mana kilowatt panas sering kali perlu dihilangkan.
Dengan pertumbuhan kepadatan transistor di dalam chip dan penggunaan tata letak 3D yang menggabungkan beberapa lapisan, kompleksitas pendinginan efektifnya juga meningkat. Pakar TSMC percaya bahwa di masa depan, solusi mungkin menjanjikan, yang menurutnya saluran mikro cairan pendingin akan diintegrasikan ke dalam chip itu sendiri. Kedengarannya menarik secara teori, tetapi dalam praktiknya, penerapan ide ini membutuhkan upaya rekayasa yang sangat besar.
Tujuan TSMC adalah mengembangkan sistem pendingin cair yang mampu membuang panas 10 watt dari area prosesor seluas satu milimeter persegi. Jadi, untuk chip dengan luas 500 mm² atau lebih, perusahaan bertujuan untuk menghilangkan 2 kW panas. Untuk mengatasi masalah tersebut, TSMC menawarkan beberapa cara:
- DWC (Direct Water Cooling): saluran mikro pendingin cair terletak di lapisan atas kristal itu sendiri
- Si Tutup dengan OX TIM: cairan pendingin ditambahkan sebagai lapisan terpisah dengan microchannels, lapisan terhubung ke kristal utama melalui OX (Silicon Oxide Fusion) sebagai antarmuka termal Thermal Interface Material (TIM)
- Si Tutup dengan LMT: logam cair digunakan sebagai pengganti lapisan OX
Setiap metode diuji menggunakan sel uji tembaga TTV (Thermal Test Vehicle) khusus dengan luas permukaan 540 mm² dan total luas kristal 780 mm², dilengkapi dengan sensor suhu. TTV dipasang pada media yang memasok daya. Temperatur fluida dalam rangkaian adalah 25°C.
Menurut TSMC, metode yang paling efektif adalah Pendinginan Air Langsung, yaitu ketika saluran mikro terletak di dalam kristal itu sendiri. Dengan menggunakan metode ini, perusahaan mampu menghilangkan 2,6 kW panas. Perbedaan suhu adalah 63°C. Dalam kasus penggunaan metode OX TIM, 2,3 kW dialokasikan dengan perbedaan suhu 83°C. Metode penggunaan logam cair antar lapisan terbukti kurang efektif. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk menghapus hanya 1,8 kW dengan selisih 75°C.
Perusahaan mencatat bahwa ketahanan termal harus serendah mungkin, tetapi dalam aspek inilah kendala utama terlihat. Untuk metode DWC, semuanya bertumpu pada transisi antara silikon dan cairan. Dalam kasus lapisan kristal yang terpisah, satu transisi lagi ditambahkan, yang paling baik ditangani oleh lapisan OX.
Untuk membuat saluran mikro di lapisan silikon, TSMC menyarankan penggunaan pemotong berlian khusus yang membuat saluran dengan lebar 200-210 mikron dan kedalaman 400 mikron. Ketebalan lapisan silikon pada substrat 300 mm adalah 750 μm. Lapisan ini harus setipis mungkin untuk memudahkan perpindahan panas dari lapisan bawah. TSMC melakukan sejumlah pengujian dengan menggunakan berbagai jenis tubulus: terarah dan dalam bentuk kolom persegi, yaitu tubulus dibuat dalam dua arah tegak lurus. Perbandingan juga dibuat dengan lapisan tanpa menggunakan tubulus.
Produktivitas menghamburkan tenaga panas dari permukaan tanpa tubulus tidak cukup. Selain itu, tidak banyak membaik meski dengan peningkatan aliran cairan pendingin. Saluran dalam dua arah (Pilar Persegi) memberikan hasil terbaik, saluran mikro sederhana menghilangkan panas secara signifikan. Keuntungan dari yang pertama dibandingkan yang terakhir adalah 2 kali lipat.
TSMC percaya bahwa pendinginan cairan kristal secara langsung sangat mungkin terjadi di masa depan. Radiator logam tidak lagi dipasang pada chip, cairan akan langsung melewati lapisan silikon, langsung mendinginkan kristal. Pendekatan ini akan memungkinkan beberapa kilowatt panas dikeluarkan dari chip. Tetapi akan membutuhkan waktu untuk solusi semacam itu muncul di pasar.
Baca juga: