解決3D芯片堆疊難題，突破摩爾定律微縮限制

時(shí)間:2020-05-26 14:20　來(lái)源:未知　作者:admin　 點擊:次

爲了(le)解決3D芯片堆疊時(shí)的(de)液體冷(lěng)卻問題，美(měi)國國防部先進研究計劃署(DARPA)與IBM、喬治亞理(lǐ)工學院合作展開芯片内/芯片間增強冷(lěng)卻計劃，如今已經開發出一種使用(yòng)絕緣介電質制冷(lěng)劑(以取代水(shuǐ))的(de)途徑。
負責打造該原型機的(de)研究人(rén)員(yuán)說，這(zhè)種方法能将制冷(lěng)劑泵送至整個(gè)微流體芯片通(tōng)道，從而降低了(le)冷(lěng)卻超級電腦(nǎo)CPU的(de)成本，并經由在每個(gè)磊晶之間安全地泵送制冷(lěng)劑，即使是最厚的(de)3D芯片堆疊内部都能加以冷(lěng)卻。

DARPA的(de)ICECool計劃采用(yòng)微流體冷(lěng)卻基闆、芯片或封裝的(de)内部，期望以“嵌入式”熱(rè)管理(lǐ)方式克服遠(yuǎn)端冷(lěng)卻的(de)局限。
IBM的(de)華生研究中心首席研究員(yuán)Tim Chainer說：“我們的(de)原型是一款8核心的(de)Power7超級電腦(nǎo)，背面的(de)微流體通(tōng)道蝕刻用(yòng)于散熱(rè)，将它與氣冷(lěng)式Power7超級電腦(nǎo)放在一起比較。所取得(de)的(de)進展降低了(le)25的(de)接面溫度[44]、功耗更低7%，其冷(lěng)卻架構也(yě)更簡潔。我們還(hái)打算(suàn)使3D芯片可(kě)堆疊至任何高(gāo)度，從而克服摩爾定律(Moore‘s Law)的(de)微縮限制。”Chainer的(de)團隊與蘇黎世的(de)IBM Research研究人(rén)員(yuán)共同合作，同時(shí)也(yě)獲得(de)了(le)Georgia Tech研究人(rén)員(yuán)的(de)支持。

傳統的(de)空調冷(lěng)卻方式使用(yòng)冷(lěng)空氣和(hé)散熱(rè)片(頂部)，經證實不如溫水(shuǐ)冷(lěng)卻(中央)，而DARPA ICECool計劃開發的(de)技術承諾可(kě)借由使用(yòng)介電質蒸氣(底部)，進一步縮減尺寸與成本。
Chainer回顧了(le)多(duō)核心架構的(de)轉變如何克服了(le)幾年前處理(lǐ)器的(de)5GHz速度限制。如今，接面溫度可(kě)以降低44，讓工程師能再次啓動時(shí)脈。Chainer說，絕緣介電質冷(lěng)卻的(de)3D芯片堆疊同樣可(kě)以克服摩爾定律的(de)微縮限制。

冷(lěng)卻具有絕緣介電質流體的(de)3D芯片堆疊時(shí)，該絕緣介電質流體沸騰成蒸汽，并從間隔100微米距離的(de)50微米堆疊中提取熱(rè)，使裸金屬通(tōng)孔可(kě)在芯片之間運行，如同水(shuǐ)冷(lěng)卻劑一樣形成互連而不至于造成短路。
他(tā)說：“我們正生活在電腦(nǎo)創新最激動人(rén)心的(de)時(shí)刻，這(zhè)是由于工程師的(de)聰明(míng)才智克服了(le)曾經被認爲無法逾越的(de)摩爾定律限制。”

借由水(shuǐ)冷(lěng)系統，IBM得(de)以讓資料中心無需再使用(yòng)空調。但爲了(le)ICECool計劃而開發的(de)絕緣介電質蒸汽系統，也(yě)不需要使用(yòng)冷(lěng)卻器(右上)和(hé)冷(lěng)卻塔(左上)
在決定采用(yòng)Honeywell的(de)Solstice Ze R-1234ze之前，IBM評估過十幾種制冷(lěng)劑，因爲制冷(lěng)劑在室溫下(xià)爲液體，但在一般的(de)芯片溫度(高(gāo)達85或185)時(shí)蒸發，并在蒸發過程中提取熱(rè)量。由于制冷(lěng)劑在室溫下(xià)會返回液态，所以不需要像傳統冰箱使用(yòng)的(de)壓縮機。相反地，Solstice Ze R-1234ze隻需要通(tōng)過銅管道線圈(類似于酒精蒸餾器或汽車散熱(rè)管)的(de)引導，就能在穿過芯片或從芯片之間返回液體形式。
Honeywell制冷(lěng)劑也(yě)是一種介電質，因此可(kě)以在芯片之間泵送，而不需要金屬元件的(de)絕緣，包括矽穿孔(TSV)。微流體通(tōng)道可(kě)以透過單個(gè)芯片執行，涵蓋全部的(de)3D堆疊芯片。3D芯片堆疊中非腐蝕性制冷(lěng)劑的(de)最佳使用(yòng)是将CMOS芯片削薄到50微米厚，并在其間留下(xià)100微米的(de)間隙。圍繞邊緣的(de)中空矩形間隔物(wù)包含堆疊中的(de)制冷(lěng)劑，每一側的(de)接頭在一側泵入液體，并在另一側移除其蒸汽。接著(zhe)，蒸汽通(tōng)過蒸餾器，讓制冷(lěng)劑返回液體形式以便泵送回芯片堆疊中。
Chainer說：“我們期望Honeywell、3M等綠色制冷(lěng)劑制造商能研究和(hé)生産适用(yòng)于半導體産業的(de)客制化(huà)配方，但是，Solstice R-1234ze是目前所能找到的(de)最佳産品。”雖然IBM和(hé)Georgia Tech著(zhe)重于ICECool計劃下(xià)的(de)商用(yòng)高(gāo)性能電腦(nǎo)上，但Raytheon和(hé)波音(yīn)(Boeing)等公司生産的(de)解決方案可(kě)用(yòng)于防禦應用(yòng)中冷(lěng)卻雷達裝置和(hé)其他(tā)超高(gāo)頻(pín)設備。DARPA的(de)計劃在大(dà)約四年内完成了(le)目标。如今，IBM、Raytheon和(hé)波音(yīn)正從各自的(de)研究實驗室中，将技術傳遞到制造業。這(zhè)些技術預計最快(kuài)将在2018年之前出現在商用(yòng)産品和(hé)軍事設備中。
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