Создано в лабораториях IBM – водяное охлаждение трехмерных чипов

pic

В лабораториях IBM мельчайшие водяные потоки охлаждают компьютерные чипы, в которых схемы и компоненты расположены друг над другом – эта конструкция обещает продлить действие закона Мура на следующее десятилетие и значительно сократить энергопотребление центров обработки данных.

Исследователи IBM (NYSE: IBM) в сотрудничестве с институтом им. Фраунгофера (Берлин) продемонстрировали прототип, в котором каналы охлаждения интегрированы непосредственно в трехмерный (т.н. «слоеный») чип, а вода пропускается между слоями этого чипа.

В традиционном чипе компоненты размещаются на кремниевой подложке рядом друг с другом, а в трехмерном чипе эти компоненты размещаются в несколько слоев. Это один из самых перспективных подходов к повышению производительности чипа свыше прогнозируемых пределов.

В прошлом году корпорация IBM первой предложила технологию производства слоеных чипов, позволяющую почти в 1000 раз сократить расстояние, которое необходимо преодолевать информации в микросхеме. Кроме того, эта технология позволяет реализовать в 100 раз больше каналов для обмена данными по сравнению с двухмерными чипами.

«Когда мы размещали чипы друг над другом с целью существенного повышения возможностей процессора по обработке данных, мы обнаружили, что обычные средства охлаждения, закрепляемые на обратной стороне чипа, не способны масштабироваться. Для реализации возможностей высокопроизводительных трехмерных чипов необходимо охлаждение между отдельными слоями такого чипа, – объясняет Томас Бруншвилер (Thomas Brunschwiler), руководитель проекта в Цюрихской исследовательской лаборатории IBM. – До настоящего времени никто не продемонстрировал жизнеспособного решения этой задачи».

Совокупное тепловыделение трехмерного слоеного чипа площадью 4 кв. см и толщиной около 1 мм приближается к одному киловатту, что в 10 раз превышает тепловыделение электрической плитки. Более того, каждый новой уровень чипа представляет собой дополнительный барьер для отвода тепла.

С целью эффективного отвода тепла от источника группа Бруншвилера подает воду в расположенные между отдельными слоями чипа охлаждающие каналы, по толщине сравнимые с человеческим волосом (50 микронов). Используя превосходные термофизические свойства воды, ученые смогли продемонстрировать холодопроизводительность до 180 Вт/см2 на типовой чип с площадью основания 4 см2.

«Это самый настоящий прорыв. Классическая схема охлаждения с задней стороны чипа не позволяет наложить друг на друга два или более слоя высокопроизводительной логики», – говорит Бруно Михель (Bruno Michel), руководитель направления Advanced Thermal Packaging в Цюрихской лаборатории IBM.

Технические подробности
При проведении экспериментов ученые пропускали воду через испытательный образец размером 1 х 1 см, который состоял из двух пластин (источников тепла) с размещенным между ними охлаждающим слоем. Этот слой имел размеры всего около 100 микронов в высоту и 10 тыс. вертикальных межсоединений на один кв. см.

Группа решила важнейшие технические проблемы в проектировании системы и смогла обеспечить максимальный поток воды сквозь слои, но при этом сохранить герметичную изоляцию межсоединений, препятствующую электрическим замыканиям вследствие воздействия воды. По своей сложности такая система напоминает человеческий мозг, в пространстве которого миллионы нейронов для передачи сигналов пересекаются с десятками тысяч кровеносных сосудов для охлаждения и энергоснабжения, не влияя друг на друга.

Создание отдельных слоев было достигнуто при использовании существующих методов производства, за исключением дополнительных операций, связанных с формированием отверстий для передачи сигналов между слоями. С целью изоляции этих «нервов» ученые оставили вокруг каждого межсоединения кремниевую оболочку (технология through-silicon vias) и добавили тонкий слой окиси кремния для защиты электрических межсоединений от воды. Такие структуры должны изготавливаться с точностью до 10 микронов, что в 10 раз превышает требования при изготовлении межсоединений и металлических элементов в современных чипах.

Для сборки отдельных слоев группа Бруншвилера вместе со своими коллегами из института им. Фраунгофера разработала сложную технологию тонкопленочной пайки. С помощью этой технологии ученые достигли высоких показателей по качеству, точности и надежности, что гарантирует превосходный тепловой контакт и отсутствие электрических замыканий. На завершающем этапе собранный слоеный чип был помещен в кремниевый охлаждающий контейнер, напоминающий миниатюрный бассейн. Вода закачивается в этот контейнер с одной стороны, протекает между отдельными слоями чипа и отводится с другой стороны контейнера.

С помощью моделирования ученые экстраполировали экспериментальные результаты на чип площадью 4 см2, при этом расчетная холодопроизводительность составила 180 Вт/см2.

В дальнейшем группа Бруншвилера будет заниматься оптимизацией систем охлаждения для чипов с уменьшенными размерами и с увеличенным числом межсоединений. Кроме того, группа будет исследовать возможность дальнейшего совершенствования структур для охлаждения отдельных горячих точек.

Инновации в области охлаждения чипов, созданные в лабораториях IBM
Это новейшее достижение получено в рамках обширной исследовательской программы IBM в области технологий охлаждения, которые обеспечивают повторное использование тепла, генерируемого центрами обработки данных. Эти технологии отводят воду в точке ее максимального нагрева и перенаправляют ее в системы водоснабжения и отопления зданий. Сегодняшнее объявление знаменует важный шаг на пути к этой цели, поскольку теперь вода может быть доставлена к самым горячим участкам компьютерного чипа, где охлаждение имеет критическое значение.

Описанные выше результаты были представлены в научном докладе под названием Forced convective interlayer cooling in vertically integrated packages (Принудительное конвективное межуровневое охлаждение в вертикально интегрированных пакетах) на конференции IEEE ITherm в Орландо, Флорида, где этот доклад получил награду Best Paper (лучший доклад). На протяжении трех лет подряд группа Advanced Thermal Packaging из Цюрихской лаборатории IBM получает награды за свои инновации в области охлаждения чипов на самых значимых конференциях в области охлаждения ИТ-устройств.

Заимствовав эффективные концепции у природы и дополнив их своими глубокими знаниями в области переноса массы и теплоты в микроскопических масштабах, а также передовыми технологиями изготовления микросхем, исследователи IBM создали новое поколение высокоэффективных технологий охлаждения чипов, потенциально способных преодолеть проблемы охлаждения для следующих поколений высокопроизводительных и высокоэффективных чипов. Наиболее значимые инновации в области охлаждения, созданные в Цюрихской исследовательской лаборатории IBM

Март 2008 г.
Ученые представили модель будущего центра обработки данных с нулевым тепловыделением на выставке CeBIT в Ганновере, Германия. На основе своих мощных методов водяного охлаждения чипов Цюрихские ученые разработали новые пути для прямого использования тепловой энергии, выделяемой центрами обработки данных. Эта новая технология революционизирует эффективность энергопотребления и управление охлаждением, существенно повышая экологичность ИТ-технологий.

Март 2007 г.
Ученые представили заимствованную у природы концепцию интерфейса высокой теплопроводности, который вдвое повышает эффективность системы охлаждения посредством улучшения теплопередачи в месте контакта между чипом и радиатором. Этот метод получил награду Best Paper на конференции IEEE SemiTherm.

Июнь 2006 г.
Ученые продемонстрировали инновационная систему водяного охлаждения jet impingement cooler, которая впрыскивает воду в чип непосредственно с его обратной стороны. Данная система использует сложную древовидную систему каналов, напоминающую кровеносную систему человека, и обеспечивает высочайшую эффективность и производительность системы охлаждения. Эта работа получила награду Best Paper на конференции IEEE SemiTherm.

Orphus system