解決3D芯片堆疊難題，突破摩爾定律微縮限制

為了解決3D芯片堆疊時(shí)的液體冷卻問題，美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)與IBM、喬治亞理工學(xué)院合作展開芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻計(jì)劃，如今已經(jīng)開發(fā)出一種使用絕緣介電質(zhì)制冷劑(以取代水)的途徑。

負(fù)責(zé)打造該原型機(jī)的研究人員說，這種方法能將制冷劑泵送至整個(gè)微流體芯片通道，從而降低了冷卻超級電腦CPU的成本，并經(jīng)由在每個(gè)磊晶之間安全地泵送制冷劑，即使是最厚的3D芯片堆疊內(nèi)部都能加以冷卻。

DARPA的ICECool計(jì)劃采用微流體冷卻基板、芯片或封裝的內(nèi)部，期望以“嵌入式”熱管理方式克服遠(yuǎn)端冷卻的局限。

IBM的華生研究中心首席研究員Tim Chainer說：“我們的原型是一款8核心的Power7超級電腦，背面的微流體通道蝕刻用于散熱，將它與氣冷式Power7超級電腦放在一起比較。所取得的進(jìn)展降低了25℃的接面溫度[44℉]、功耗更低7%，其冷卻架構(gòu)也更簡潔。我們還打算使3D芯片可堆疊至任何高度，從而克服摩爾定律(Moore‘s Law)的微縮限制。”Chainer的團(tuán)隊(duì)與蘇黎世的IBM Research研究人員共同合作，同時(shí)也獲得了Georgia Tech研究人員的支持。

傳統(tǒng)的空調(diào)冷卻方式使用冷空氣和散熱片(頂部)，經(jīng)證實(shí)不如溫水冷卻(中央)，而DARPA ICECool計(jì)劃開發(fā)的技術(shù)承諾可借由使用介電質(zhì)蒸氣(底部)，進(jìn)一步縮減尺寸與成本。

Chainer回顧了多核心架構(gòu)的轉(zhuǎn)變?nèi)绾慰朔藥啄昵疤幚砥鞯?GHz速度限制。如今，接面溫度可以降低44℉，讓工程師能再次啟動時(shí)脈。Chainer說，絕緣介電質(zhì)冷卻的3D芯片堆疊同樣可以克服摩爾定律的微縮限制。

冷卻具有絕緣介電質(zhì)流體的3D芯片堆疊時(shí)，該絕緣介電質(zhì)流體沸騰成蒸汽，并從間隔100微米距離的50微米堆疊中提取熱，使裸金屬通孔可在芯片之間運(yùn)行，如同水冷卻劑一樣形成互連而不至于造成短路。

他說：“我們正生活在電腦創(chuàng)新最激動人心的時(shí)刻，這是由于工程師的聰明才智克服了曾經(jīng)被認(rèn)為無法逾越的摩爾定律限制。”

借由水冷系統(tǒng)，IBM得以讓資料中心無需再使用空調(diào)。但為了ICECool計(jì)劃而開發(fā)的絕緣介電質(zhì)蒸汽系統(tǒng)，也不需要使用冷卻器(右上)和冷卻塔(左上)

在決定采用Honeywell的Solstice Ze R-1234ze之前，IBM評估過十幾種制冷劑，因?yàn)橹评鋭┰谑覝叵聻橐后w，但在一般的芯片溫度(高達(dá)85℃或185℉)時(shí)蒸發(fā)，并在蒸發(fā)過程中提取熱量。由于制冷劑在室溫下會返回液態(tài)，所以不需要像傳統(tǒng)冰箱使用的壓縮機(jī)。相反地，Solstice Ze R-1234ze只需要通過銅管道線圈(類似于酒精蒸餾器或汽車散熱管)的引導(dǎo)，就能在穿過芯片或從芯片之間返回液體形式。

Honeywell制冷劑也是一種介電質(zhì)，因此可以在芯片之間泵送，而不需要金屬元件的絕緣，包括矽穿孔(TSV)。微流體通道可以透過單個(gè)芯片執(zhí)行，涵蓋全部的3D堆疊芯片。3D芯片堆疊中非腐蝕性制冷劑的最佳使用是將CMOS芯片削薄到50微米厚，并在其間留下100微米的間隙。圍繞邊緣的中空矩形間隔物包含堆疊中的制冷劑，每一側(cè)的接頭在一側(cè)泵入液體，并在另一側(cè)移除其蒸汽。接著，蒸汽通過蒸餾器，讓制冷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等綠色制冷劑制造商能研究和生產(chǎn)適用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的客制化配方，但是，Solstice R-1234ze是目前所能找到的最佳產(chǎn)品。”雖然IBM和Georgia Tech著重于ICECool計(jì)劃下的商用高性能電腦上，但Raytheon和波音(Boeing)等公司生產(chǎn)的解決方案可用于防御應(yīng)用中冷卻雷達(dá)裝置和其他超高頻設(shè)備。DARPA的計(jì)劃在大約四年內(nèi)完成了目標(biāo)。如今，IBM、Raytheon和波音正從各自的研究實(shí)驗(yàn)室中，將技術(shù)傳遞到制造業(yè)。這些技術(shù)預(yù)計(jì)最快將在2018年之前出現(xiàn)在商用產(chǎn)品和軍事設(shè)備中。