DARPA采用ICECool技术克服3D芯片堆叠散热

IBM/乔治亚理工学院液体电绝缘流体“嵌入式”热管理解决方案

 

佛罗里达威尔士湖 -美国国防部高级研究计划署 (DARPA)与IBM、乔治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology) 在“芯片内/芯片间强化散热”(ICECool)项目支持下,开发出一种基于电绝缘制冷剂散热解决方案,替代原有基于水的冷却方案,解决了芯片堆叠的散热问题。根据负责该原型机的研究人员表示,这种方法能通过片上微流体通道实现制冷剂流动,有效降低超级电脑CPU的散热问题和成本。电绝缘制冷剂可在每个裸片之间流动,带走3D芯片堆叠内部的热量,从而可最大限度增加芯片的堆叠厚度。

DARPA的ICECool项目在基板、芯片或封装内部采用微流体通道冷却,以期通过“嵌入式”热管理方式克服远端冷却的局限。
(来源:DARPA)

在接受EE Times采访时,IBM Thomas J. Watson研究中心(位于纽约约克敦海茨)首席研究员Tim Chainer指出:“我们的原型是一款8核Power7超级电脑,背面蚀刻的微流体通道用于散热,并与一台空冷式Power7超级电脑进行对比。对比结果显示,采用ICECool技术可降低25°C [44°F] 的节点温度,节省7%的功耗,并且可让冷却架构也更简单。我们目标将提升3D芯片堆叠高度,以克服摩尔定律下的尺寸限制。”项目过程中,Chainer的团队与苏黎世的IBM Research研究人员精诚合作,并获得乔治亚理工学院研究人员的支持。

传统空冷使用冷空气和散热片(上部),事实冷却证明效果不如水冷却(中间),而DARPA的ICECool项目所开发的基于电制冷剂绝缘制冷剂散热方案(底部),可进一步缩减尺寸与成本。
(来源:IBM)

Chainer回顾表示,由单核转变到多核架构仅过去几年时间,处理器很快就超越了5GHz。如今,节点温度可降低44℉的散热方案,必然会让工程师再度“疯狂”,推动计算机技术狂飙突进。其还指出,基于电绝缘制冷剂散热方案的3D芯片堆叠还能克服摩尔定律的尺寸限制。

采用电绝缘制冷剂冷却的芯片,制冷剂从间隔100微米通道流过,流过液态制冷剂吸收堆叠中热量从液相转换为气相。由于制冷剂是电绝缘流体,可让裸金属在硅通孔中布置,避免水工作流体可带来电短路缺陷。
(来源:IBM)

他说:“我们正生活在电脑创新最激动人心的时代,正是由于工程师的聪明才智克服了曾经被认为无法逾越的摩尔定律限制。”

如上图所示的数据中心现有水冷系统,与ICECool计划所开发的基于电绝缘制冷剂散热系统综合考虑,有可能进一步简化制冷设备(右上)和冷却塔(左上)。
(来源:IBM)

IBM在对十几种制冷剂进行评估后,最终选用了霍尼韦尔的Solstice ze (R-1234ze)制冷剂,首先该制冷剂ODP为0,GWP为1的环保制冷剂。其次该制冷剂在合适温度下是液态,而在通常的芯片工作温度(最高达85°C或185°F)时会蒸发,并在蒸发过程中吸收热量。由于制冷剂在合适温度下就会从气态冷凝为液态,可利用液体泵驱动将其带到芯片并冷却。Solstice ze (R-1234ze)只需要通过铜管道引导下,就能在芯片或芯片之间流动并冷却芯片,最后流回到芯片外部被冷却为液体后被泵送回来到芯片进一步给芯片散热。

霍尼韦尔制冷剂是一种电绝缘性能良好工作流体,能在芯片之间流动,而无需对金属元件进行额外电绝缘,其中包括可能由于冷却水造成硅通孔 (TSV)短路。微流体通道可透过单个芯片运行,覆盖所有3D堆叠芯片。3D芯片堆叠中非腐蚀性制冷剂的最佳用法是将CMOS芯片削薄到50微米厚,并在其间留下100微米的间隙。围绕边缘的中空矩形间隔物中含有堆叠内的制冷剂,每一侧都有一个接头,可在一侧流入液体,并在另一侧流出气体。随后,气体通过外部冷凝并恢复液体状态,以便泵送回芯片堆叠的微通道中。

“我们期望霍尼韦尔、3M等绿色制冷剂制造商能研究并生产适用于半导体产业的定制解决方案,目前Solstice R-1234ze是所能找到的最佳产品,”Chainer表示。虽然IBM和乔治亚理工学院侧重于ICECool项目下的商用高性能电脑,但Raytheon和波音 (Boeing) 等公司生产的解决方案的用途远不止于此,还可用于国防应用中冷却雷达装置和其他超高频设备。DARPA在大约四年内达成项目目标。如今,IBM、Raytheon和波音正将各自的实验室研究成果产业化。据预计,这些技术最快有望在2018年出现在商用产品和军用设备中。

Chainer及其同事在《采用先进的热管理技术改善数据中心能效》(须付费阅读)中介绍了他们的研究成果。IBM也计划在9月的第29届电子封装技术国际会议 (EPS)(纽约Niskayuna)和11月的2017年超级计算会议 (SuperComputing 2017) 上对该技术进行详细介绍。