Resolva o problema da pilha de chips 3D e quebre o limite da lei de Moore

Para resolver o problema do resfriamento líquido quando os chips 3D são empilhados, a agência de projetos de pesquisa avançada de defesa (DARPA), em colaboração com a IBM e o instituto de tecnologia da Geórgia, desenvolveu um programa de resfriamento aprimorado dentro do chip/inter-chip que USA um isolante refrigerante dielétrico (em vez de água).

Os pesquisadores que trabalham no protótipo dizem que o método reduz o custo de resfriamento da CPU de um supercomputador, bombeando refrigerantes através de todo o canal do chip microfluídico e bombeando-os com segurança entre cada chip, resfriando até mesmo o interior da pilha de chips 3D mais espessa.

O programa ICECool da DARPA USA microfluídica para resfriar o interior de um substrato, chip ou pacote na esperança de superar as limitações do resfriamento remoto com gerenciamento térmico “incorporado”.

“Nosso protótipo é um supercomputador Power7 de 8 núcleos”, diz Tim Chainer, pesquisador principal do centro de pesquisa Watson da IBM.

O progresso alcançado reduz a temperatura da interface em 25 [44], reduz o consumo de energia em 7% e a arquitetura de resfriamento é mais simples.

“Também pretendemos empilhar chips 3D em qualquer altura para superar as limitações miniaturizadas da Lei de Moore.”

A equipe de Chainer trabalhou com pesquisadores da IBM Research em Zurique e também recebeu apoio da Georgia Tech.

Os métodos convencionais de resfriamento de ar condicionado que usam ar frio e dissipadores de calor (parte superior) provaram ser menos frios do que água quente (centro), e a tecnologia desenvolvida pelo programa ICECool da DARPA promete reduzir ainda mais o tamanho e o custo usando vapores dielétricos (parte inferior).

Chainer analisa como a mudança na arquitetura multicore superou o limite de velocidade de 5 GHz dos processadores há alguns anos.

Agora, a temperatura da interface pode ser reduzida em 44ºC, permitindo ao engenheiro iniciar o pulso novamente.

Chainer diz que empilhar chips 3D com resfriamento dielétrico também pode superar o limite de miniaturização da lei de Moore.

Ao resfriar uma pilha de chips 3D com um fluido dielétrico isolante, o fluido dielétrico ferve em vapor e extrai calor de uma pilha de 50 mícrons espaçada de 100 mícrons, permitindo que o metal puro passe por orifícios entre os chips, formando interconexões como refrigeradores de água sem curto-circuito. -circuito.

“Estamos vivendo o momento mais emocionante da inovação computacional”, diz ele, “à medida que a engenhosidade dos engenheiros supera as limitações da lei de Moore que antes eram consideradas intransponíveis”.

Através do sistema de refrigeração líquida, a IBM conseguiu eliminar a necessidade de ar condicionado nos data centers.

Mas o sistema de vapor dielétrico isolado desenvolvido para o projeto ICECool também elimina a necessidade de refrigeradores (canto superior direito) e torres de resfriamento (canto superior esquerdo).

Antes de decidir usar o Solstice Ze r-1234ze da Honeywell, a IBM avaliou uma dúzia de refrigerantes porque os refrigerantes são líquidos à temperatura ambiente, mas evaporam em temperaturas normais do chip (até 85 ou 185) e extraem calor enquanto o fazem.

Como os refrigerantes retornam ao estado líquido à temperatura ambiente, não há necessidade de compressores como os usados ​​nos refrigeradores tradicionais.

Em contraste, o Solstice Ze r-1234ze requer apenas a orientação de uma bobina de tubo de cobre, semelhante a um destilador de álcool ou a um tubo de calor de carro, para retornar a forma líquida através ou entre os chips.

Os refrigerantes da Honeywell também são dielétricos, portanto podem ser bombeados entre chips sem a necessidade de isolamento de elementos metálicos, incluindo perfuração de silício (TSV).

Canais microfluídicos podem ser executados através de um único chip, cobrindo todos os chips empilhados 3D.

O melhor uso de um refrigerante não corrosivo em uma pilha 3D é branquear o chip CMOS até uma espessura de 50 mícrons, deixando um espaço de 100 mícrons entre eles.

Um espaçador retangular oco ao redor da borda contém o refrigerante na pilha, com juntas em cada lado bombeando o líquido de um lado e removendo o vapor do outro.

O vapor então passa pelo destilador, permitindo que o refrigerante retorne à forma líquida para ser bombeado de volta para a pilha de cavacos.

“Esperamos que fabricantes de refrigerantes verdes, como Honeywell e 3M, pesquisem e produzam formulações personalizadas para a indústria de semicondutores, mas o Solstice r-1234ze é o melhor produto que podemos encontrar”, diz Chainer.

Enquanto a IBM e a Georgia Tech se concentram em computadores comerciais de alto desempenho no âmbito do programa ICECool, empresas como a Raytheon e a Boeing produzem soluções que podem ser usadas para resfriar dispositivos de radar e outros dispositivos UHF em aplicações de defesa.

O programa da DARPA atingiu o seu objectivo em cerca de quatro anos.

Agora, a IBM, a Raytheon e a Boeing estão transferindo tecnologia dos seus LABS de pesquisa para a fabricação.

Espera-se que estas tecnologias estejam disponíveis em produtos comerciais e equipamentos militares já em 2018.

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