VLSI 심포지엄 컨퍼런스의 회사 전문가 TSMC 액체 냉각 시스템을 칩에 직접 통합하는 비전을 제시했습니다. 마이크로 회로 냉각을 위한 유사한 솔루션은 예를 들어 종종 킬로와트의 열을 제거해야 하는 데이터 센터에서 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다.
칩 내부의 트랜지스터 밀도가 증가하고 여러 레이어를 결합한 3D 레이아웃을 사용함에 따라 효과적인 냉각의 복잡성도 증가합니다. TSMC 전문가들은 미래에 냉각 액체 마이크로채널이 칩 자체에 통합될 솔루션이 유망할 수 있다고 믿습니다. 이론상으로는 흥미롭게 들리지만 실제로 이 아이디어를 구현하려면 엄청난 엔지니어링 노력이 필요합니다.
TSMC의 목표는 10제곱밀리미터의 프로세서 영역에서 500와트의 열을 발산할 수 있는 액체 냉각 시스템을 개발하는 것입니다. 따라서 면적이 2mm² 이상인 칩의 경우 회사는 kW의 열을 제거하는 것을 목표로 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 TSMC는 여러 가지 방법을 제공했습니다.
- DWC(직접 수냉식): 액체 냉각 마이크로 채널은 결정 자체의 상위 레이어에 있습니다.
- OX TIM이 있는 Si 덮개: 액체 냉각이 마이크로채널이 있는 별도의 층으로 추가되고, 이 층은 열 인터페이스 TIM(열 인터페이스 재료)인 OX(산화규소 융합)를 통해 주 결정에 연결됩니다.
- Si Lid with LMT: OX 층 대신 액체 금속 사용
각 방법은 온도 센서가 장착된 표면적이 540mm²이고 총 결정 영역이 780mm²인 특수 TTV(Thermal Test Vehicle) 구리 테스트 셀을 사용하여 테스트되었습니다. TTV는 전원을 공급하는 기판에 장착되었습니다. 회로의 유체 온도는 25°C였습니다.
TSMC에 따르면 가장 효과적인 방법은 직접 수냉식, 즉 마이크로 채널이 크리스탈 자체에 위치하는 경우입니다. 이 방법을 사용하여 회사는 2,6kW의 열을 제거할 수 있었습니다. 온도차는 63°C였습니다. OX TIM 방식의 경우 2,3°C의 온도차로 83kW가 할당되었다. 층 사이에 액체 금속을 사용하는 방법은 덜 효과적인 것으로 판명되었습니다. 이 경우 1,8°C의 차이로 75kW만 제거할 수 있었습니다.
회사는 열 저항이 가능한 한 낮아야 하지만 이 측면에서 주요 장애물이 보입니다. DWC 방법의 경우 모든 것이 실리콘과 액체 사이의 전환에 달려 있습니다. 결정의 별도 레이어의 경우 OX 레이어에서 가장 잘 처리되는 하나 이상의 전이가 추가됩니다.
실리콘 층에 마이크로 채널을 생성하기 위해 TSMC는 너비가 200-210미크론이고 깊이가 400미크론인 채널을 생성하는 특수 다이아몬드 커터를 사용할 것을 제안합니다. 300mm 기판의 실리콘 층 두께는 750μm입니다. 이 층은 하부 층에서 열 전달을 용이하게 하기 위해 가능한 한 얇아야 합니다. TSMC는 방향성 및 정사각형 기둥 형태, 즉 세관이 두 개의 수직 방향으로 만들어지는 다양한 유형의 세관을 사용하여 여러 가지 테스트를 수행했습니다. 세관을 사용하지 않은 층과도 비교가 이루어졌습니다.
세관이 없는 표면에서 화력을 발산하는 생산성은 충분하지 않았습니다. 또한 냉각수 흐름을 증가시켜도 크게 개선되지 않습니다. 양방향 채널(Square Pillar)은 최상의 결과를 제공하며 단순한 마이크로 채널은 눈에 띄게 적은 열을 제거합니다. 후자에 비해 전자의 장점은 2배입니다.
TSMC는 결정의 직접적인 액체 냉각이 미래에 상당히 가능하다고 믿습니다. 금속 라디에이터는 더 이상 칩에 설치되지 않으며 액체는 실리콘 층을 직접 통과하여 결정을 직접 냉각합니다. 이 접근 방식을 사용하면 칩에서 몇 킬로와트의 열을 제거할 수 있습니다. 그러나 그러한 솔루션이 시장에 나오기까지는 시간이 걸릴 것입니다.
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