Nový čip testuje chladicí řešení pro vrstvené mikroelektronické součástky

S rostoucí poptávkou po výkonnějších a efektivnějších mikroelektronických systémech se průmysl obrací k 3D integraci – vrstvení čipů na sebe. Tato vertikálně vrstvená architektura by mohla umožnit těsné zabalení vysoce výkonných procesorů, jako jsou ty, které se používají pro umělou inteligenci, s dalšími vysoce specializovanými čipy pro komunikaci nebo zobrazování. Technologové však všude čelí velké výzvě: jak zabránit přehřívání těchto zásobníků.

Laboratoř MIT Lincoln Laboratory nyní vyvinula specializovaný čip pro testování a ověřování chladicích řešení pro balené zásobníky čipů. Čip rozptyluje extrémně vysoký výkon, napodobuje vysoce výkonné logické čipy, generuje teplo přes křemíkovou vrstvu a v lokalizovaných horkých bodech. Poté, jak se chladicí technologie aplikují na balený zásobník, čip měří změny teploty. Když je čip vsazen do zásobníku, umožní výzkumníkům studovat, jak se teplo pohybuje přes vrstvy zásobníku a jak se zlepšuje jejich chlazení.

„Pokud máte pouze jeden čip, můžete jej chladit shora nebo zespodu. Pokud však začnete skládat několik čipů na sebe, teplo nemá kam uniknout. Žádné chladicí metody dnes neexistují, které by průmyslu umožnily skládat více těchto skutečně vysoce výkonných čipů,“ říká Chenson Chen, který vedl vývoj čipu s Ryanem Keechem, oba ze skupiny Advanced Materials and Microsystems Group laboratoře. Advanced Materials and Microsystems Group.

Benchmarkovací čip se nyní používá v HRL Laboratories, výzkumné a vývojové společnosti ve společném vlastnictví společností Boeing a General Motors, při vývoji chladicích systémů pro 3D heterogenně integrované (3DHI) systémy. Heterogenní integrace označuje vrstvení křemíkových čipů s nekřemíkovými čipy, jako jsou polovodiče III-V používané v rádiofrekvenčních (RF) systémech.

„RF komponenty se mohou velmi zahřívat a pracovat při velmi vysokých výkonech – přidává to další vrstvu složitosti k 3D integraci, a proto je tato testovací schopnost tak potřebná,“ říká Keech.

Agentura DARPA financovala vývoj benchmarkovacího čipu laboratoří na podporu programu HRL. Veškerý tento výzkum vychází z programu DARPA Miniature Integrated Thermal Management Systems for 3D Heterogeneous Integration (Minitherms3D).

Pro Ministerstvo obrany otevírá 3DHI nové příležitosti pro kritické systémy. Například 3DHI by mohlo zvýšit dosah radarových a komunikačních systémů, umožnit integraci pokročilých senzorů na malých platformách, jako jsou bezpilotní letecká vozidla, nebo umožnit zpracování dat umělé inteligence přímo v terénních systémech namísto vzdálených datových center.

Testovací čip byl vyvinut ve spolupráci mezi návrháři obvodů, experty na elektrické testování a techniky v laboratoři Microelectronics Laboratory.

Čip plní dvě funkce: generování tepla a měření teploty. Pro generování tepla tým navrhl obvody, které by mohly pracovat při velmi vysokých hustotách výkonu, v rozsahu kilowattech na čtvereční centimetr, srovnatelné s projektovanými požadavky na výkon vysoce výkonných čipů dnes a v budoucnu. Zkopírovali také rozložení obvodů v těchto čipech, takže testovací čip může sloužit jako realistická náhrada.

„Upravili jsme naši stávající křemíkovou technologii, abychom v podstatě navrhli čip-měřítka ohřívače,“ říká Chen, který do programu vnáší dlouholeté zkušenosti s komplexní integrací a návrhem čipů. V roce 2000 pomohl laboratoři s průkopnickou výrobou dvou- a třívrstvých integrovaných obvodů, čímž vedl raný vývoj 3D integrace.

Ohřívače čipu napodobují jak základní úrovně tepla v zásobníku, tak i lokalizované horké body. Horké body se často vyskytují v nejvíce zahrabaných a nepřístupných oblastech zásobníku čipů, což ztěžuje vývojářům 3D čipů posouzení, zda chladicí schémata, jako jsou mikrokanály dodávající studenou kapalinu, dosahují těchto míst a jsou dostatečně účinné.

Zde vstupují do hry teplotní snímací prvky. Čip je rozdělen s tím, co Chen přirovnává k „malým teploměrům“, které odečítají teplotu na několika místech v čipu, jak se chladivo aplikuje.

Tyto teploměry jsou ve skutečnosti diody, nebo spínače, které umožňují průchod proudu obvodem, jakmile se aplikuje napětí. Jak se diody zahřívají, mění se poměr proud-napětí. „Můžeme zkontrolovat výkon diody a vědět, že je například 200 stupňů C, nebo 100 stupňů C, nebo 50 stupňů C,“ říká Keech. „Kreativně jsme přemýšleli o tom, jak by zařízení mohla selhat přehřátím, a poté jsme použili tytéž vlastnosti k navrhování užitečných měřicích nástrojů.“

Chen a Keech – spolu s dalšími experty na návrh, výrobu a elektrické testování v laboratoři – nyní spolupracují s výzkumníky z HRL Laboratories, protože spojují čip s novými chladicími technologiemi a integrují tyto technologie do 3DHI zásobníku, který by mohl zvýšit výkon RF signálu. „Musíme ochladit ekvivalent tepla více než 190 procesorů notebooků [centrálních procesorů], ale ve velikosti jednoho pouzdra CPU,“ řekl Christopher Roper, vedoucí výzkumník v HRL, v nedávné tiskové zprávě oznamující jejich program.

Podle Keech byl rychlý harmonogram dodání čipu výzvou, kterou překonal týmová práce ve všech fázích návrhu, výroby, testování a 3D heterogenní integrace čipu.

„Vrstvené architektury jsou považovány za další hranici mikroelektroniky,“ říká. „Chceme pomoci americké vládě získat náskok při hledání způsobů, jak je efektivně integrovat a umožnit co nejvyšší výkon těchto čipů.“

Tým laboratoře představil tuto práci na každoroční konferenci Government Microcircuit Applications and Critical Technology Conference (GOMACTech), která se konala od 17. do 20. března.