Resuelva el problema de la pila de chips 3D y rompa el límite de la ley de Moore

Para resolver el problema de la refrigeración líquida cuando se apilan chips 3D, la agencia de proyectos de investigación avanzada de defensa (DARPA), en colaboración con IBM y el Instituto de Tecnología de Georgia, ha desarrollado un programa de refrigeración mejorada dentro del chip/entre chips que UTILIZA un aislamiento refrigerante dieléctrico (en lugar de agua).

Los investigadores que trabajan en el prototipo dicen que el método reduce el costo de enfriar la CPU de una supercomputadora bombeando refrigerantes a través de todo el canal del chip microfluídico y bombeándolos de manera segura entre cada chip, enfriando incluso el interior de la pila de chips 3D más gruesa.

El programa ICECool de DARPA UTILIZA microfluidos para enfriar el interior de un sustrato, chip o paquete con la esperanza de superar las limitaciones del enfriamiento remoto con gestión térmica 'integrada'.

'Nuestro prototipo es un superordenador Power7 de 8 núcleos', afirma Tim Chainer, investigador principal del centro de investigación Watson de IBM.

El progreso logrado reduce la temperatura de la interfaz en un 25 [44], reduce el consumo de energía en un 7% y la arquitectura de enfriamiento es más simple.

'También pretendemos hacer que los chips 3D se apilen a cualquier altura para superar las limitaciones miniaturizadas de la Ley de Moore'.

El equipo de Chainer trabajó con investigadores de IBM Research en Zurich y también recibió apoyo de Georgia Tech.

Los métodos convencionales de enfriamiento de aire acondicionado que usan aire frío y disipadores de calor (arriba) han demostrado ser menos fríos que el agua tibia (centro), y la tecnología desarrollada por el programa ICECool de DARPA promete reducir aún más el tamaño y el costo mediante el uso de vapores dieléctricos (abajo).

Chainer analiza cómo el cambio de arquitectura multinúcleo superó el límite de velocidad de los procesadores de 5 GHz hace unos años.

Ahora, la temperatura de la interfaz se puede reducir en 44ºC, lo que permite al ingeniero iniciar el pulso nuevamente.

Chainer afirma que apilar chips 3D con refrigeración dieléctrica también puede superar el límite de miniaturización de la ley de Moore.

Al enfriar una pila de chips 3D con un fluido dieléctrico aislante, el fluido dieléctrico hierve hasta convertirse en vapor y extrae calor de una pila de 50 micras espaciada por 100 micras, lo que permite que los orificios pasantes de metal desnudo corran entre los chips, formando interconexiones como enfriadores de agua sin cortocircuitos. -circuito.

'Estamos viviendo el momento más apasionante de la innovación informática', afirma, 'a medida que el ingenio de los ingenieros supera las limitaciones de la ley de Moore que alguna vez se consideraron insuperables'.

A través del sistema de refrigeración por agua, IBM pudo eliminar la necesidad de aire acondicionado en los centros de datos.

Pero el sistema de vapor dieléctrico aislado desarrollado para el proyecto ICECool también elimina la necesidad de refrigeradores (arriba a la derecha) y torres de enfriamiento (arriba a la izquierda).

Antes de decidir utilizar Solstice Ze r-1234ze de Honeywell, IBM evaluó una docena de refrigerantes porque los refrigerantes son líquidos a temperatura ambiente pero se evaporan a temperaturas normales de chip (hasta 85 o 185) y extraen calor mientras lo hacen.

Debido a que los refrigerantes vuelven a su estado líquido a temperatura ambiente, no hay necesidad de compresores como los que se utilizan en los refrigeradores tradicionales.

Por el contrario, Solstice Ze r-1234ze solo requiere la guía de un serpentín de tubo de cobre, similar a un destilador de alcohol o un tubo de calor de automóvil, para devolver la forma líquida a través o entre los chips.

Los refrigerantes Honeywell también son dieléctricos, por lo que pueden bombearse entre chips sin necesidad de aislamiento de elementos metálicos, incluida la perforación de silicio (TSV).

Los canales de microfluidos se pueden ejecutar mediante un solo chip, que cubre todos los chips apilados en 3D.

El mejor uso de un refrigerante no corrosivo en una pila 3D es blanquear el chip CMOS hasta un espesor de 50 micrones, dejando un espacio de 100 micrones entre ellos.

Un espaciador rectangular hueco alrededor del borde contiene el refrigerante en la pila, con juntas en cada lado que bombean líquido por un lado y eliminan el vapor por el otro.

Luego, el vapor pasa a través del alambique, lo que permite que el refrigerante vuelva a su forma líquida para ser bombeado nuevamente a la pila de chips.

'Esperamos que los fabricantes de refrigerantes ecológicos como Honeywell y 3M investiguen y produzcan formulaciones personalizadas para la industria de semiconductores, pero Solstice r-1234ze es el mejor producto que podemos encontrar', afirma Chainer.

Mientras IBM y Georgia Tech se centran en computadoras comerciales de alto rendimiento bajo el programa ICECool, empresas como Raytheon y Boeing producen soluciones que pueden usarse para enfriar dispositivos de radar y otros dispositivos UHF en aplicaciones de defensa.

El programa de DARPA logró su objetivo en unos cuatro años.

Ahora IBM, Raytheon y Boeing están transfiriendo tecnología de sus LABS de investigación a la fabricación.

Se espera que estas tecnologías estén disponibles en productos comerciales y equipos militares a partir de 2018.

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