台积电探索在芯片上集成水冷技术

与非网7月14日讯 台积电最近在VLSI 研讨会上展示了其对片上水冷的研究，作为解决散热问题的一种方法。它涉及将水道直接集成到芯片的设计中。 

对现在高性能芯片来说，散热是一个棘手的问题。除了传统的加装散热器使用风冷散热，水冷散热似乎成了一个更为高效的选择。像微软这样的业界巨头，甚至将数据中心服务器放进海中或者将设备浸泡在特殊液体里，提高散热的效率。

首先，我们应该问自己为什么可能需要在芯片内部或芯片上进行直接水冷。像NVIDIA的A100加速器这样的芯片，连同HBM2E和作为SXM4模块，已经有高达500W的废热。对于英特尔的Xe-HPC芯片Ponte Vecchio来说，甚至还有高达600W的余热。因此，尽管采用现代制造技术，冷却此类芯片变得越来越困难。水冷在数据中心区域没有什么特别之处。冷却器安装在处理器和加速器上，去除废热。但即使芯片的面积有几百平方毫米，在这么小的面积上产生400+W范围的废热也不容易处理。

此外，未来将越来越多地使用具有3D集成的芯片。 从 2021 年底/2022 年初开始，AMD 将使用 3D V-Cache 作为处理器的附加 SRAM。额外的缓存直接位于现有的 L3 缓存之上，而不是位于 Zen 3 核心之上，这将使冷却它们变得更加困难。但 3D 堆叠不会就此止步；越来越复杂的连接正在计划中。如果您不想在 X 和 Y 方向完全扩展它们，就像 Ponte Vecchio 的情况，那么在较低层堆叠和冷却芯片变得越来越重要。

台积电的研究人员认为解决方案是让水在夹层电路之间流动。这是一个非常简单的理论解决方案，但对于电子产品而言，这是一项极其困难的工程壮举。

数学很简单：当前的冷却解决方案通常通过与给定芯片的散热器直接接触、直接芯片接触技术或完全浸没在非导电流体中来工作。其中，前两种解决方案只能有效地冷却它们直接接触的层，这给垂直芯片堆叠带来了巨大的问题。较低的层在散热方面会遇到更多困难，会造成损坏或不得不节流，这两种情况都会对性能不利。 

不仅如此，由于必须将整个封装的热量传递到散热层，芯片的顶层还会增加压力。液体浸没虽然效率高且可能更适合堆叠芯片，但成本昂贵且难以部署在已经适合空气或传统水冷的专业场景中。

台积电在受控实验室条件下对虚拟半导体进行了测试——一种热测试载体 (TTV)，它本质上是一种由铜制成的加热元件。该公司在受控条件下测试了三种类型的硅水通道集成：它使用基于柱的通道，水可以在有源半导体柱周围流动以冷却它们（想想岛屿周围的水）；以沟渠设计为特色的设计（想象一条河流，由其海岸控制）；以及位于硅芯片其余部分的简单平坦的水道。水通过一个外部冷却机制，从它通过硅芯片的过程中将水冷却到 25 ºC。

为了将通道加工到硅中，使用了一种技术，该技术也用于从晶片上切割芯片。金刚石锯可切割 200 至 210 µm 宽和 400 µm 深的通道。对于 300 mm 晶片，硅层的厚度为 750 µm。该层当然应该尽可能薄，以简化来自下方有源芯片的热传递。台积电还测试了一个方向的通道是否足够，或者方柱（即横截面和纵向截面）是否提供最好的散热。还测试了没有通道的简单平面。

TV（Thermal Test Vehicle）由铜制加热元件组成。加热元件本身有温度传感器。加热元件的表面为 540 mm²，TTV 的总面积为 780 mm²。TTV 在它自己的基地中被拉伸，这使得电力供应、供水和排放以及传感器的连接成为可能。在25°C的恒温下引入水。

对于直接水冷，即芯片本身存在冷却，台积电设法散发 2.6 kW 的废热。温差为 63°C。芯片与硅层之间采用OX TIM水冷连接，台积电可以散掉2.3kW的废热，温差为83°C。两层之间的液态金属仅能去除 1.8 kW 和 75°C 的温差。台积电还测试了两种流速——一种是每分钟 2 升，一种是每分钟 5.8 升。然而，关于废热和温差的信息仅为每分钟 5.8 升，因为这是获得可行值的唯一方法。

热阻应尽可能低。台积电还确定了传热的最大障碍在哪里。对于 DWC，只有硅和水之间的过渡是最大的困难。如果使用单独的电平，这里还有另一个过渡，最好通过 OX 连接来解决。

该公司进一步测试了三种类型的水冷设计：一种只有直接水冷 (DWC)，作为制造过程的一部分，水有自己的循环通道直接蚀刻到芯片的硅中；另一种设计将水通道蚀刻到芯片顶部自己的硅层中，使用 OX（氧化硅融合）的热界面材料 (TIM) 层将热量从芯片传递到水冷层；最后是一种将 OX 层换成更简单、更便宜的液态金属解决方案的设计。

台积电报告称，目前最好的解决方案是直接水冷方法，它可以散发高达 2.6 kW 的热量，并提供 63 ºC 的温差。第二好的设计自然是基于 OX TIM 的设计，它仍然可以散发高达 2.3 kW 的热量，并提供 83 ºC 的温差。液态金属溶液排在最后，仍然设法耗散高达 1.8 kW（75 º C 的温度增量）。在所有的水流设计中，柱式设计是迄今为止最好的。

台积电的目标是开发每平方毫米 10 W 范围内的废热冷却解决方案。根据芯片的大小，这个 10 W/mm² 是非常有野心的。对于更大的芯片（500 平方毫米及以上），台积电的目标是 2,000 瓦（2 千瓦）的 TDP。

当被问到哪种通道结构更好时，台积电也有明确的回答：平面的TDP性能不足，并不会随着流量的增加而显着提高。通道在两个方向（方柱）都能提供最佳效果，而简单的通道可以显着减少废热。我们正在谈论更好的散热效果。

台积电认为，未来的芯片完全有可能以更直接的方式提供水冷。然后芯片上不再有金属冷却器，而是直接通过硅层供给水并冷却下面的芯片。因此应该能够消散几千瓦的废热。我们可能需要一些时间才能在实践中看到这样的解决方案。各种制造商仍在评估这种类型的冷却。

当然，这种奇特的冷却解决方案要被主流采用还需要数年时间。但这绝对是实现晶体管密度持续增加、每区域性能指标持续改进以及未来 3D 半导体的前进方向之一。