Résolvez le problème de la pile de puces 3D et dépassez les limites de la loi de Moore

Pour résoudre le problème du refroidissement liquide lors de l'empilement de puces 3D, la DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency), en collaboration avec IBM et l'Institut de technologie de Géorgie, a développé un programme de refroidissement amélioré intégré/inter-puce qui UTILISE un isolant. réfrigérant diélectrique (au lieu de l’eau).

Les chercheurs travaillant sur le prototype affirment que la méthode réduit le coût de refroidissement du processeur d'un superordinateur en pompant des réfrigérants à travers tout le canal de la puce microfluidique et en les pompant en toute sécurité entre chaque puce, refroidissant même l'intérieur de la pile de puces 3D la plus épaisse.

Le programme ICECool de la DARPA UTILISE la microfluidique pour refroidir l'intérieur d'un substrat, d'une puce ou d'un boîtier dans l'espoir de surmonter les limites du refroidissement à distance avec une gestion thermique « intégrée ».

'Notre prototype est un supercalculateur Power7 à 8 cœurs', explique Tim Chainer, chercheur principal au centre de recherche Watson d'IBM.

Les progrès réalisés réduisent la température de l'interface de 25 [44], réduisent la consommation électrique de 7 % et l'architecture de refroidissement est plus simple.

'Nous avons également l'intention d'empiler les puces 3D à n'importe quelle hauteur pour surmonter les limitations miniaturiques de la loi de Moore.'

L'équipe de Chainer a travaillé avec des chercheurs d'IBM Research à Zurich et a également reçu le soutien de Georgia Tech.

Les méthodes conventionnelles de refroidissement de la climatisation qui utilisent de l'air froid et des dissipateurs thermiques (en haut) se sont révélées moins froides que l'eau chaude (au centre), et la technologie développée par le programme ICECool de la DARPA promet de réduire davantage la taille et le coût en utilisant des vapeurs diélectriques (en bas).

Chainer explique comment le changement d'architecture multicœur a surmonté la limite de vitesse de 5 GHz des processeurs il y a quelques années.

Désormais, la température de l'interface peut être abaissée de 44, permettant à l'ingénieur de relancer l'impulsion.

Chainer affirme que l'empilement de puces 3D avec un refroidissement diélectrique peut également surmonter la limite de miniaturisation de la loi de Moore.

Lors du refroidissement d'une pile de puces 3D avec un fluide diélectrique isolant, le fluide diélectrique bout en vapeur et extrait la chaleur d'une pile de 50 microns espacée de 100 microns, permettant au métal nu de passer entre les puces, formant des interconnexions comme des refroidisseurs d'eau sans court-circuit. -circuitage.

Nous vivons l'époque la plus passionnante de l'innovation informatique', dit-il, 'alors que l'ingéniosité des ingénieurs surmonte les limites de la loi de Moore que l'on croyait autrefois insurmontables.

Grâce au système de refroidissement par eau, IBM a pu éliminer le besoin de climatisation dans les centres de données.

Mais le système de vapeur diélectrique isolé développé pour le projet ICECool élimine également le besoin de refroidisseurs (en haut à droite) et de tours de refroidissement (en haut à gauche).

Avant de décider d'utiliser le Solstice Ze r-1234ze de Honeywell, IBM a évalué une douzaine de réfrigérants car les réfrigérants sont liquides à température ambiante mais s'évaporent à des températures normales de puce (jusqu'à 85 ou 185) et extraient de la chaleur ce faisant.

Étant donné que les réfrigérants reviennent à leur état liquide à température ambiante, il n’est pas nécessaire de recourir à des compresseurs comme ceux utilisés dans les réfrigérateurs traditionnels.

En revanche, le Solstice Ze r-1234ze ne nécessite que le guidage d'un serpentin en tube de cuivre, semblable à un distillateur d'alcool ou à un caloduc de voiture, pour renvoyer la forme liquide à travers ou entre les puces.

Les réfrigérants Honeywell sont également diélectriques, ils peuvent donc être pompés entre les puces sans avoir besoin d'isolation par élément métallique, y compris la perforation en silicium (TSV).

Les canaux microfluidiques peuvent être exécutés via une seule puce, couvrant toutes les puces empilées 3D.

La meilleure utilisation d'un réfrigérant non corrosif sur une pile 3D consiste à blanchir la puce CMOS jusqu'à une épaisseur de 50 microns, en laissant un espace de 100 microns entre elles.

Une entretoise rectangulaire creuse autour du bord contient le réfrigérant dans la pile, avec des joints de chaque côté pompant le liquide d'un côté et éliminant sa vapeur de l'autre.

La vapeur passe ensuite à travers le distillateur, permettant au réfrigérant de revenir sous forme liquide pour être pompé dans la pile de copeaux.

'Nous attendons des fabricants de réfrigérants verts comme Honeywell et 3M qu'ils recherchent et produisent des formulations personnalisées pour l'industrie des semi-conducteurs, mais le Solstice r-1234ze est le meilleur produit que nous puissions trouver', déclare Chainer.

Alors qu'IBM et Georgia Tech se concentrent sur les ordinateurs commerciaux hautes performances dans le cadre du programme ICECool, des sociétés comme Raytheon et Boeing produisent des solutions qui peuvent être utilisées pour refroidir les radars et autres appareils UHF dans les applications de défense.

Le programme de la DARPA a atteint son objectif en quatre ans environ.

Désormais, IBM, Raytheon et Boeing transfèrent la technologie de leurs laboratoires de recherche vers la fabrication.

Ces technologies devraient être disponibles dans les produits commerciaux et les équipements militaires dès 2018.

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