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DARPA研究出黑科技,晶片電晶體終於可以繼續縮小了
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為瞭解決3D晶片堆疊時的液體冷卻問題,美國國防部先進研究計畫署(DARPA)與IBM、喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology;Georgia Tech)合作展開晶片內/晶片間(Intrachip/Interchip)增強冷卻(ICECool)計畫,如今已經開發出一種使用絕緣介電質製冷劑(以取代水)的途徑。

負責打造該原型機的研究人員說,這種方法能將製冷劑泵送至整個微流體晶片通道,從而降低了冷卻超級電腦CPU的成本,並經由在每個磊晶之間安全地泵送製冷劑,即使是最厚的3D晶片堆疊內部都能加以冷卻。
 
DARPA的ICECool計畫採用微流體冷卻基板、晶片或封裝的內部,期望以「嵌入式」熱管理方式克服遠端冷卻的局限(來源:DARPA)

IBM的華生研究中心(Thomas J. Watson Research Center)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於散熱,將它與氣冷式Power7超級電腦放在一起比較。所取得的進展降低了25℃的接面溫度[44℉]、功耗更低7%,其冷卻架構也更簡潔。我們還打算使3D晶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的團隊與蘇黎世的IBM Research研究人員共同合作,同時也獲得了Georgia Tech研究人員的支援。
 
傳統的空調冷卻方式使用冷空氣和散熱片(頂部),經證實不如溫水冷卻(中央),而DARPA ICECool計畫開發的技術承諾可藉由使用介電質蒸氣(底部),進一步縮減尺寸與成本(來源:IBM)

Chainer回顧了多核心架構的轉變如何克服了幾年前處理器的5GHz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脈。Chainer說,絕緣介電質冷卻的3D晶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流體的3D晶片堆疊時,該絕緣介電質流體沸騰成蒸汽,並從間隔100微米距離的50微米堆疊中提取熱,使裸金屬通孔可在晶片之間運行,如同水冷卻劑一樣形成互連而不至於造成短路(來源:IBM)
他說:「我們正生活在電腦創新最激動人心的時刻,這是由於工程師的聰明才智克服了曾經被認為無法逾越的摩爾定律限制。」
 
藉由水冷系統,IBM得以讓資料中心無需再使用空調。但為了ICECool計畫而開發的絕緣介電質蒸汽系統,也不需要使用冷卻器(右上)和冷卻塔(左上)(來源:IBM)

在決定採用Honeywell的Solstice Ze R-1234ze之前,IBM評估過十幾種製冷劑,因為製冷劑在室溫下為液體,但在一般的晶片溫度(高達85℃或185℉)時蒸發,並在蒸發過程中提取熱量。由於製冷劑在室溫下會返回液態,所以不需要像傳統冰箱使用的壓縮機。相反地,Solstice Ze R-1234ze只需要通過銅管道線圈(類似於酒精蒸餾器或汽車散熱管)的引導,就能在穿過晶片或從晶片之間返回液體形式。

Honeywell製冷劑也是一種介電質,因此可以在晶片之間泵送,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晶片執行,涵蓋全部的3D堆疊晶片。3D晶片堆疊中非腐蝕性製冷劑的最佳使用是將CMOS晶片削薄到50微米厚,並在其間留下100微米的間隙。圍繞邊緣的中空矩形間隔物包含堆疊中的製冷劑,每一側的接頭在一側泵入液體,並在另一側移除其蒸汽。接著,蒸汽通過蒸餾器,讓製冷劑返回液體形式以便泵送回晶片堆疊中。

Chainer說:「我們期望Honeywell、3M等綠色製冷劑製造商能研究和生產適用於半導體產業的客制化配方,但是,Solstice R-1234ze是目前所能找到的最佳產品。」雖然IBM和Georgia Tech著重於ICECool計畫下的商用高性能電腦上,但Raytheon和波音(Boeing)等公司生產的解決方案可用於防禦應用中冷卻雷達裝置和其他超高頻設備。DARPA的計畫在大約四年內完成了目標。如今,IBM、Raytheon和波音正從各自的研究實驗室中,將技術傳遞到製造業。這些技術預計最快將在2018年之前出現在商用產品和軍事設備中。
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