與非網(wǎng)7月14日訊 臺積電最近在VLSI 研討會上展示了其對片上水冷的研究，作為解決散熱問題的一種方法。它涉及將水道直接集成到芯片的設計中。 

對現(xiàn)在高性能芯片來說，散熱是一個棘手的問題。除了傳統(tǒng)的加裝散熱器使用風冷散熱，水冷散熱似乎成了一個更為高效的選擇。像微軟這樣的業(yè)界巨頭，甚至將數(shù)據(jù)中心服務器放進海中或者將設備浸泡在特殊液體里，提高散熱的效率。

首先，我們應該問自己為什么可能需要在芯片內(nèi)部或芯片上進行直接水冷。像NVIDIA的A100加速器這樣的芯片，連同HBM2E和作為SXM4模塊，已經(jīng)有高達500W的廢熱。對于英特爾的Xe-HPC芯片Ponte Vecchio來說，甚至還有高達600W的余熱。因此，盡管采用現(xiàn)代制造技術，冷卻此類芯片變得越來越困難。水冷在數(shù)據(jù)中心區(qū)域沒有什么特別之處。冷卻器安裝在處理器和加速器上，去除廢熱。但即使芯片的面積有幾百平方毫米，在這么小的面積上產(chǎn)生400+W范圍的廢熱也不容易處理。

此外，未來將越來越多地使用具有3D集成的芯片。 從 2021 年底/2022 年初開始，AMD 將使用 3D V-Cache 作為處理器的附加 SRAM。額外的緩存直接位于現(xiàn)有的 L3 緩存之上，而不是位于 Zen 3 核心之上，這將使冷卻它們變得更加困難。但 3D 堆疊不會就此止步；越來越復雜的連接正在計劃中。如果您不想在 X 和 Y 方向完全擴展它們，就像 Ponte Vecchio 的情況，那么在較低層堆疊和冷卻芯片變得越來越重要。

臺積電的研究人員認為解決方案是讓水在夾層電路之間流動。這是一個非常簡單的理論解決方案，但對于電子產(chǎn)品而言，這是一項極其困難的工程壯舉。

數(shù)學很簡單：當前的冷卻解決方案通常通過與給定芯片的散熱器直接接觸、直接芯片接觸技術或完全浸沒在非導電流體中來工作。其中，前兩種解決方案只能有效地冷卻它們直接接觸的層，這給垂直芯片堆疊帶來了巨大的問題。較低的層在散熱方面會遇到更多困難，會造成損壞或不得不節(jié)流，這兩種情況都會對性能不利。 

不僅如此，由于必須將整個封裝的熱量傳遞到散熱層，芯片的頂層還會增加壓力。液體浸沒雖然效率高且可能更適合堆疊芯片，但成本昂貴且難以部署在已經(jīng)適合空氣或傳統(tǒng)水冷的專業(yè)場景中。

臺積電在受控實驗室條件下對虛擬半導體進行了測試——一種熱測試載體 (TTV)，它本質上是一種由銅制成的加熱元件。該公司在受控條件下測試了三種類型的硅水通道集成：它使用基于柱的通道，水可以在有源半導體柱周圍流動以冷卻它們（想想島嶼周圍的水）；以溝渠設計為特色的設計（想象一條河流，由其海岸控制）；以及位于硅芯片其余部分的簡單平坦的水道。水通過一個外部冷卻機制，從它通過硅芯片的過程中將水冷卻到 25 ºC。

為了將通道加工到硅中，使用了一種技術，該技術也用于從晶片上切割芯片。金剛石鋸可切割 200 至 210 µm 寬和 400 µm 深的通道。對于 300 mm 晶片，硅層的厚度為 750 µm。該層當然應該盡可能薄，以簡化來自下方有源芯片的熱傳遞。臺積電還測試了一個方向的通道是否足夠，或者方柱（即橫截面和縱向截面）是否提供最好的散熱。還測試了沒有通道的簡單平面。

TV（Thermal Test Vehicle）由銅制加熱元件組成。加熱元件本身有溫度傳感器。加熱元件的表面為 540 mm²，TTV 的總面積為 780 mm²。TTV 在它自己的基地中被拉伸，這使得電力供應、供水和排放以及傳感器的連接成為可能。在25°C的恒溫下引入水。

對于直接水冷，即芯片本身存在冷卻，臺積電設法散發(fā) 2.6 kW 的廢熱。溫差為 63°C。芯片與硅層之間采用OX TIM水冷連接，臺積電可以散掉2.3kW的廢熱，溫差為83°C。兩層之間的液態(tài)金屬僅能去除 1.8 kW 和 75°C 的溫差。臺積電還測試了兩種流速——一種是每分鐘 2 升，一種是每分鐘 5.8 升。然而，關于廢熱和溫差的信息僅為每分鐘 5.8 升，因為這是獲得可行值的唯一方法。

熱阻應盡可能低。臺積電還確定了傳熱的最大障礙在哪里。對于 DWC，只有硅和水之間的過渡是最大的困難。如果使用單獨的電平，這里還有另一個過渡，最好通過 OX 連接來解決。

該公司進一步測試了三種類型的水冷設計：一種只有直接水冷 (DWC)，作為制造過程的一部分，水有自己的循環(huán)通道直接蝕刻到芯片的硅中；另一種設計將水通道蝕刻到芯片頂部自己的硅層中，使用 OX（氧化硅融合）的熱界面材料 (TIM) 層將熱量從芯片傳遞到水冷層；最后是一種將 OX 層換成更簡單、更便宜的液態(tài)金屬解決方案的設計。

臺積電報告稱，目前最好的解決方案是直接水冷方法，它可以散發(fā)高達 2.6 kW 的熱量，并提供 63 ºC 的溫差。第二好的設計自然是基于 OX TIM 的設計，它仍然可以散發(fā)高達 2.3 kW 的熱量，并提供 83 ºC 的溫差。液態(tài)金屬溶液排在最后，仍然設法耗散高達 1.8 kW（75 º C 的溫度增量）。在所有的水流設計中，柱式設計是迄今為止最好的。

臺積電的目標是開發(fā)每平方毫米 10 W 范圍內(nèi)的廢熱冷卻解決方案。根據(jù)芯片的大小，這個 10 W/mm² 是非常有野心的。對于更大的芯片（500 平方毫米及以上），臺積電的目標是 2,000 瓦（2 千瓦）的 TDP。

當被問到哪種通道結構更好時，臺積電也有明確的回答：平面的TDP性能不足，并不會隨著流量的增加而顯著提高。通道在兩個方向（方柱）都能提供最佳效果，而簡單的通道可以顯著減少廢熱。我們正在談論更好的散熱效果。

臺積電認為，未來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屬冷卻器，而是直接通過硅層供給水并冷卻下面的芯片。因此應該能夠消散幾千瓦的廢熱。我們可能需要一些時間才能在實踐中看到這樣的解決方案。各種制造商仍在評估這種類型的冷卻。

當然，這種奇特的冷卻解決方案要被主流采用還需要數(shù)年時間。但這絕對是實現(xiàn)晶體管密度持續(xù)增加、每區(qū)域性能指標持續(xù)改進以及未來 3D 半導體的前進方向之一。