IBM se enfría 3-D chips de computadora con el agua

En los laboratorios de IBM, minúsculos ríos de agua de refrigeración son los chips de computadora que tienen los circuitos y componentes apilados uno encima del otro, un diseño que promete extender la Ley de Moore en la próxima década y reducir significativamente la energía consumida por los centros de datos.
Científicos de IBM dio a conocer un poderoso y eficaz técnica para cool 3-D chip pilas con agua. En colaboración con el Instituto Fraunhofer en Berlín, se demostró un prototipo que integra el sistema de refrigeración en un 3-D de chips de tuberías de agua directamente entre cada capa en la pila.

Estos llamado 3-D-chip pilas en el que los chips y dispositivos de memoria que tradicionalmente se sientan uno al lado del otro sobre una oblea de silicio son capas en la parte superior de un otro-presenta uno de los enfoques más prometedores para la mejora de chip más allá de su rendimiento previsto límites.

Esto se desprende el liderazgo de IBM en la promoción de chip de tecnología de apilamiento en un entorno de fabricación anunció hace un año, lo que reduce drásticamente la distancia que las necesidades de información para viajar en un chip de sólo 1/1000th de que en 2-D chips y permite la adición de hasta a 100 veces más canales, o vías, para que la información fluya.

IBM investigadores están estudiando los conceptos para el apilamiento de memoria en la parte superior de los transformadores y, en última instancia, para el apilamiento muchas capas de núcleos de procesadores. Pero en esos escenarios avanzados, de refrigeración se convierte en un reto formidable.

“A medida que nos paquete de chips uno encima del otro a una velocidad significativamente la capacidad del procesador para procesar los datos, hemos encontrado que los refrigeradores convencionales adjunta a la parte posterior de un chip no escala. Con el fin de explotar el potencial de alto rendimiento 3 — D chip apilado, es necesario intercalar refrigeración “, explica Thomas Brunschwiler, jefe de proyecto en IBM Zurich Research Laboratory:” Hasta ahora, nadie ha demostrado soluciones viables a este problema. ”

Tales 3-D chip pilas tendría un agregado sin precedentes disipación de calor de cerca de 1 kilovatio en un volumen de sólo medio centímetro cúbico-10 veces superior a cualquier otro ser humano hizo dispositivo. En particular, las densidades de potencia se apilan en estos procesadores son más altos que en nucleares y reactores de plasma.

Brunschwiler y su equipo de abastecimiento de agua de enfriamiento en las estructuras delgadas como un cabello humano (50 micras) entre las distintas capas de chips, a fin de eliminar el calor de manera eficiente a la fuente. El uso de la superior termofísicas cualidades del agua, los científicos fueron capaces de demostrar un rendimiento de refrigeración de hasta 180 W/cm2 por capa para una pila con una típica huella de 4 cm2. “Esto constituye realmente un avance. Con clásicos de atrás de refrigeración, el apilamiento de dos o más alta densidad de potencia capas lógica sería imposible”, afirma Bruno Michel, gerente del chip de refrigeración esfuerzos de investigación en el Laboratorio IBM Zurich.

Tecnológico especificaciones

En estos experimentos, los científicos de abastecimiento de agua a través de un 1 por 1 cm vehículo de examen, consistente en una capa de enfriamiento entre dos muere o fuentes de calor. La capa de enfriamiento medidas sólo alrededor de 100 micras de altura y está repleto de 10000 vertical interconecta por cm2. El equipo se sobrepuso a los principales desafíos técnicos en el diseño de un sistema que maximiza el flujo de agua a través de las capas y, sin embargo, herméticamente las interconexiones sellos para evitar que el agua de causar cortocircuitos eléctricos. La complejidad de este sistema se asemeja a la de un cerebro humano, donde millones de neuronas y nervios para las transmisiones de señales se entremezclan pero no interfieren con decenas de miles de vasos sanguíneos para la refrigeración y el suministro de energía, todo ello dentro del mismo volumen.

La fabricación de las capas individuales se llevó a cabo con los actuales 3-D métodos de fabricación de envases a etch o perforar los agujeros para la transmisión de señales de una capa a otra. Para aislar estos “nervios”, los científicos de silicio dejado un muro alrededor de cada interconexión (también llamado de silicio a través de vías) y añade una fina capa de óxido de silicio para aislar las interconexiones eléctricas del agua. Las estructuras tienen que ser fabricados con una precisión de 10 micras, 10 veces más precisa que para las interconexiones y metallizations en las actuales chips.

Para reunir las capas individuales, Brunschwiler con colegas del Instituto Fraunhofer desarrollaron una sofisticada película delgada técnica de soldadura. Mediante esta técnica, los científicos logrados la alta calidad, precisión y robustez necesarias para garantizar excelentes contactos térmica, así como los contactos eléctricos sin cortos. En la configuración final, los reunidos pila se coloca en un recipiente de enfriamiento de silicio se asemejan a una miniatura cuenca. El agua es bombeada hacia el recipiente de un lado y los flujos entre las distintas capas de chips, antes de salir al otro lado.

El uso de simulaciones, los científicos extrapolar los resultados experimentales de su vehículo a una de 4 cm2 fichas y logró un rendimiento de refrigeración de 180 W/cm2.

En ulteriores investigaciones, Brunschwiler y su equipo están trabajando para optimizar los sistemas de refrigeración aún más pequeño para las dimensiones y el chip más interconexiones. Ellos también están investigando sofisticadas estructuras adicionales para hotspots de refrigeración.

Chip-refrigeración a las innovaciones de IBM Research

Este avance más reciente es parte de IBM del ambicioso esfuerzo de investigación se centró en las tecnologías de refrigeración que permiten la reutilización de calor generado por los centros de datos de captura de agua en su caliente y las tuberías en el edificio del agua y los sistemas de calefacción. Este anuncio marca un importante paso hacia ese objetivo de tener éxito en obtener agua caliente a partes del chip de computadora, donde la refrigeración es fundamental.

Los resultados fueron presentados en un documento titulado “convección forzada intercalar refrigeración integrada verticalmente en los paquetes” a la IEEE ITherm conferencia en Orlando, Florida, donde recibió un premio Mejor Libro. Esto hace que el tercer año consecutivo en que el Laboratorio IBM Zurich avanzada del equipo térmico de embalaje se adjudicó para su chip de refrigeración innovaciones en líder en tecnología de refrigeración conferencias.

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