TSMC đang nghiên cứu công nghệ tản nhiệt chất lỏng tích hợp trực tiếp trên chip

Trong khuôn khổ hội nghị chuyên đề VLSI diễn ra gần đây, nhà sản xuất bán dẫn lớn nhất thế giới TSMC đã gây chú ý khi trình bày các nghiên cứu hoàn toàn mới liên quan đến một công nghệ chưa từng có: Tích hợp hệ thống tản nhiệt chất lỏng trực tiếp trên chip như một biện pháp giải quyết triệt để các vấn đề về nhiệt lượng. Ngoài ra, điều khiến dự án táo báo này nhận được nhiều sự chú ý nằm ở việc làm thế nào để tích hợp các kênh dẫn nước làm mát vào thẳng thiết kế của chip, trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả và tính an toàn.

Công nghệ sản xuất chip hiện đại khiến bóng bán dẫn ngày càng bị nén lại với nhau nhằm tăng số lượng. Điều này cùng với thiết kế xếp chồng chip 3D theo chiều dọc khiến nhiệt độ ngày càng trở thành một vấn đề quan trọng cần giải quyết trên các SoC hiệu năng cao ngày nay.

Trước vấn đề trên, các nhà nghiên cứu của TSMC cho rằng giải pháp tối ưu nhất là cho phép nước làm mát có thể chảy thẳng vào giữa các mạch kẹp. Về lý thuyết đây là một phương pháp tản nhiệt đơn giản và cho hiệu quả cao. Nhưng trong thực tế, việc tích hợp một hệ thống tản nhiệt chất lỏng phức tạp trực tiếp trên một con chip nhỏ bé là điều cực kỳ khó thực hiện. Ngoài ra, việc làm thế nào để đảm bảo hệ thống tản nhiệt hoạt động an toàn, tránh rò rỉ chất lỏng gây chập hư hại cũng là bài toán không hề đơn giản.

Về cơ bản, các giải pháp làm mát hiện tại thường hoạt động thông qua cơ chế tiếp xúc trực tiếp với Heat Spreader của một con chip nhất định, công nghệ tiếp xúc trực tiếp với khuôn, hoặc ngâm hoàn toàn trong chất lỏng không dẫn điện. Trong số này, hai giải pháp đầu tiên chỉ có thể làm mát hiệu quả đối với các lớp mà chúng tiếp xúc trực tiếp, điều này gây ra nhiều vấn đề lớn cho việc xếp chồng chip theo chiều dọc. Các lớp nằm ở vị trí thấp hơn sẽ gặp nhiều khó khăn hơn trong việc thoát nhiệt, từ đó có thể bị hư hại hoặc hoạt động kém ổn định, gây ảnh hưởng xấu đến hiệu suất chung.

Trong khi đó, phương pháp ngâm chìm bằng chất lỏng, mặc dù hiệu quả và có khả năng hoạt động tốt hơn đối với kiểu thiết kế khuôn xếp chồng, nhưng lại tốn kém và khó triển khai trong các tình huống thương mại.

Để giải quyết vấn đề, TSMC đã thực hiện thử nghiệm trên một thiết bị bán dẫn giả - Thermal Test Vehicle (TTV), về cơ bản là một phần tử gia nhiệt được làm bằng đồng - trong các điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát nghiêm ngặt. Công ty đã thử nghiệm ba kiểu tích hợp kênh nước silicon trong các điều kiện được kiểm soát:

• Kênh dựa trên trụ, nơi nước có thể chảy xung quanh các trụ bán dẫn đang hoạt động để làm mát chúng (hãy tưởng tượng đến việc các dòng hải lưu chảy xung quanh một hòn đảo).
• Dạng rãnh (nghĩ về một con sông, nơi dòng nước được kiểm soát bởi hai bên bờ).
• Kênh dẫn nước phẳng, đơn giản nằm trên phần còn lại của chip silicon.

Nước được đưa qua một cơ chế làm mát bên ngoài để làm lạnh xuống 25 ºC, sau đó mới được dẫn vào để làm mát chip silicon.

Ngoài ra, TSMC cũng đã tiến hành thử nghiệm thêm ba kiểu thiết kế hệ thống làm mát bằng nước: Một loại chỉ làm mát bằng nước trực tiếp (DWC), trong đó nước có các kênh tuần hoàn riêng được “khắc” trực tiếp vào chip như một phần của quá trình sản xuất. Một thiết kế khác với các kênh nước được khắc vào lớp silicon riêng của chúng trên đầu chip, với một lớp Thermal Interface Material (TIM) của OX (Silicon Oxide Fusion) truyền nhiệt từ chip đến lớp tản nhiệt nước. Và cuối cùng là một thiết kế thay thế lớp OX bằng một giải pháp kim loại lỏng đơn giản, rẻ hơn.

Kết quả cuối cùng cho thấy giải pháp tốt nhất cho đến nay là làm mát trực tiếp bằng nước, có thể tản nhiệt lên đến 2,6kW và cung cấp một vùng nhiệt độ 63 ºC. Giải pháp tốt thứ hai là thiết kế dựa trên OX TIM, vẫn có thể tản nhiệt lên đến 2,3 kW và cung cấp mức nhiệt độ 83 ºC. Phương pháp sử dụng dung dịch kim loại lỏng đứng cuối cùng. Tương tự, trong số tất cả các thiết kế kênh dẫn nước, giải pháp dựa trên trụ là tốt nhất.

Kết quả thử nghiệm là cực kỳ rõ ràng. Tuy nhiên, để tạo ra một hệ thống tản nhiệt trên chip tối ưu theo quy mô thương mại là không hề đơn giản. Chúng ta sẽ phải đợi rất lâu nữa để có được trải nghiệm thực tế, nhưng sự chờ đợi đó hứa hẹn sẽ rất xứng đáng.