Flüssigkeitskühlung wird auf den Chip übertragen, um eine dichtere Elektronik zu erhalten | 2020

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

In Kombination mit Verbindungstechnologien, die durch Strukturen in den Kühlkanälen arbeiten, könnten die neuen Technologien die Entwicklung dichterer und leistungsfähigerer integrierter elektronischer Systeme ermöglichen, für die keine Kühlkörper oder Lüfter mehr auf den integrierten Schaltkreisen erforderlich wären. In Zusammenarbeit mit bekannten 28-Nanometer-FPGA-Bausteinen von Altera Corp. haben die Forscher einen monolithisch gekühlten Chip demonstriert, der bei Temperaturen betrieben werden kann, die mehr als 60 Prozent unter denen von ähnlichen luftgekühlten Chips liegen.

Neben der höheren Rechenleistung können die niedrigeren Temperaturen zu einer längeren Lebensdauer des Geräts und einer geringeren Stromleckage führen. Die Kühlung erfolgt durch einfaches entionisiertes Wasser, das durch mikrofluidische Kanäle fließt und die massiven luftgekühlten Kühlkörper ersetzt, die normalerweise auf der Rückseite der Chips angebracht sind.

"Wir glauben, eines der Haupthindernisse für den Bau kompakterer und energieeffizienter Hochleistungssysteme beseitigt zu haben", sagte Muhannad Bakir, Associate Professor und Juniorprofessor von ON Semiconductor an der Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. "Wir haben den Kühlkörper auf dem Siliziumchip beseitigt, indem wir die Flüssigkeitskühlung nur wenige hundert Mikrometer von den Transistoren entfernt haben. Wir glauben, dass die zuverlässige Integration der mikrofluidischen Kühlung direkt auf dem Silizium eine disruptive Technologie für eine neue Generation von Elektronik ist."

Es wird angenommen, dass die von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstützte Forschung das erste Beispiel für die Flüssigkeitskühlung direkt auf einem funktionierenden Hochleistungs-CMOS-Chip ist. Details der Forschung wurden am 28. September auf der IEEE-Konferenz für kundenspezifische integrierte Schaltkreise in San Jose, Kalifornien, vorgestellt.

Die Flüssigkeitskühlung wurde eingesetzt, um die Herausforderungen zu bewältigen, denen sich Computersysteme gegenübersehen, deren Leistungsbedarf gestiegen ist. Die vorhandene Flüssigkeitskühlungstechnologie leitet die Wärme jedoch mithilfe von Kühlplatten ab, die außen an vollständig verpackten Siliziumchips angebracht sind. Dadurch wird der Wärmewiderstand erhöht und die Wärmeableitungseffizienz verringert.

Bakir und sein Doktorand Thomas Sarvey haben den Kühlkörper und das Wärmeverteilungsmaterial von der Rückseite der Altera-FPGA-Chips entfernt, um das Flüssigkeitskühlsystem herzustellen. Anschließend ätzten sie Kühlkanäle in das Silizium, wobei Siliziumzylinder mit einem Durchmesser von etwa 100 Mikrometern eingebaut wurden, um die Wärmeübertragung in die Flüssigkeit zu verbessern. Eine Siliziumschicht wurde dann über die Strömungskanäle gelegt und Anschlüsse für die Verbindung von Wasserrohren angebracht.

In mehreren Tests - einschließlich einer Demonstration für DARPA-Beamte in Arlington, Virginia - wurde ein flüssigkeitsgekühltes FPGA unter Verwendung einer von Altera bereitgestellten benutzerdefinierten Prozessorarchitektur betrieben. Mit einer Wassereintrittstemperatur von ungefähr 20 Grad Celsius und einer Einlassströmungsrate von 147 Millilitern pro Minute arbeitete das flüssigkeitsgekühlte FPGA bei einer Temperatur von weniger als 24 Grad Celsius im Vergleich zu einem luftgekühlten Gerät, das bei 60 Grad Celsius arbeitete .

Sudhakar Yalamanchili, Professor an der Georgia Tech School für Elektrotechnik und Informationstechnik und einer der Mitarbeiter der Forschungsgruppe, trat dem Team für die DARPA-Demonstration bei, um das elektrisch-thermische Co-Design zu diskutieren.

"Wir haben eine echte elektronische Plattform geschaffen, um die Vorteile der Flüssigkeitskühlung gegenüber der Luftkühlung zu bewerten", sagte Bakir. "Dies kann die Tür zum Stapeln mehrerer Chips, potenziell mehrerer FPGA-Chips oder FPGA-Chips mit anderen Chips öffnen, die einen hohen Stromverbrauch haben. Wir sehen eine deutliche Verringerung der Temperatur dieser flüssigkeitsgekühlten Chips."

Das Forschungsteam entschied sich für FPGAs, da sie eine Plattform zum Testen verschiedener Schaltungsdesigns bieten und FPGAs in vielen Marktsegmenten, einschließlich der Verteidigung, verbreitet sind. Dieselbe Technologie könne jedoch auch zur Kühlung von CPUs, GPUs und anderen Geräten wie Leistungsverstärkern eingesetzt werden, so Bakir.

Zusätzlich zur Verbesserung der Gesamtkühlung könnte das System Hotspots in Kreisläufen reduzieren, indem die Kühlung viel näher an der Stromquelle angewendet wird. Durch den Wegfall des Kühlkörpers könnten elektronische Geräte kompakter verpackt werden - allerdings nur, wenn auch Probleme mit der elektrischen Verbindung behoben werden.

In einem separaten Forschungsprojekt hat Bakirs Gruppe die Herstellung von Kupfer-Durchkontaktierungen gezeigt, die durch die Siliziumsäulen verlaufen, die Teil der auf den FPGAs hergestellten Kühlstruktur sind. Der Doktorand Hanju Oh, der gemeinsam mit Dean Gary May vom College of Engineering beraten wurde, fertigte Kupfer-Durchkontaktierungen mit hohem Seitenverhältnis durch die Siliziumsäulen und reduzierte die Kapazität der Verbindungen, die Signale zwischen Chips in einem Array transportieren würden.

"In dem Moment, in dem Sie darüber nachdenken, die Chips zu stapeln, müssen Sie Kupfer-Vias haben, um sie zu verbinden", sagte Bakir. "Durch die Annäherung der Systemkomponenten können wir die Verbindungslänge verringern, was zu einer Verbesserung der Bandbreitendichte und einer Verringerung des Energieverbrauchs führt."

Die Kühlforschung wurde vom DARPA-Büro für Mikrosystemtechnik über das ICECOOL-Programm finanziert. An der Georgia Tech finanziert DARPA zwei große Kühlungs- und Systemintegrationsprojekte, eines mit dem Namen STAECool unter der Leitung von Yogendra Joshi von der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering und das andere mit dem Namen SuperCool unter der Leitung von Bakir. In Zusammenarbeit mit STAECool entwickelten Bakir und Joshi zusammen mit den Professoren Andrei Fedorov und Suresh Sitaraman von der School of Mechanical Engineering ein Fahrzeug für die thermische Auslegung, um herausfordernde Leistungskennfelder zu emulieren und die Vorteile der mikrofluidischen Kühlung zu testen.

"Wir haben einen wichtigen Meilenstein erreicht, den wir hoffentlich als Sprungbrett zur Erreichung anderer Ziele nutzen können", sagte Bakir. "Es liegt noch eine große Herausforderung vor uns, aber wir erwarten, dass dies viel dichtere, leistungsstärkere Computersysteme ermöglicht, die weniger Energie verbrauchen. Wir können uns viele interessante Anwendungen für diese Kühltechnologien vorstellen."

Alteras Hauptforscher für das Projekt, Arifur Rahman, sagte: "Zukünftige Hochleistungshalbleiterelektronik wird zunehmend vom thermischen Budget und der Fähigkeit zur Wärmeabfuhr bestimmt. Die eingebetteten mikrofluidischen Kanäle bieten eine faszinierende Möglichkeit zur Wärmeabfuhr aus zukünftigen Mikroelektroniksystemen."

Diese Forschung wurde von DARPA-MTO unterstützt; Der Inhalt der Pressemitteilung liegt in der Verantwortung der Autoren und spiegelt nicht unbedingt die offizielle Position von DARPA wider.