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2018
02-02

液体冷却移动到更密的电子芯片上


乔治亚理工学院研究人员使用微流控通道直接切入生产现场可编程门阵列(FPGA)设备的背面,将液体冷却权放在最需要的地方 - 离晶体管运行几百微米的地方。

结合通过冷却通道中的结构进行操作的连接技术,新技术可以允许开发更密集和更强大的集成电子系统,其不再需要集成电路顶部的散热器或冷却风扇。研究人员使用由Altera公司制造的流行的28纳米FPGA器件,研究人员展示了一种单片散热芯片,其工作温度比同类空冷芯片低60%以上。

液体端口将冷却水带到蚀刻在FPGA器件背面的特别设计的通道中,以提供更有效的冷却。液体冷却在计算吞吐量方面提供了显着的优势。图片来源:佐治亚理工学院Rob Felt

除了更强的处理能力外,更低的温度意味着更长的设备寿命和更少的电流泄漏。冷却来自简单的去离子水流过微流体通道,取代通常放置在芯片背面的大量空气冷却散热片。

乔治亚理工学院电气与计算机工程学院副教授兼安森美半导体初级教授Muhannad Bakir表示:“我们相信我们已经消除了构建更加紧凑和节能的高性能系统的主要障碍之一。 。 “我们已经通过将液体冷却移动离晶体管几百微米来消除硅晶片顶部的散热片。我们相信可靠地将微流体冷却直接集成到硅片上将成为新一代电子产品的颠覆性技术。“国防高级研究计划局(DARPA)的支持下,该研究被认为是液体冷却的第一个例子直接运行在高性能的CMOS芯片上。这项研究的细节已于9月28日在加利福尼亚州圣何塞举行的IEEE定制集成电路会议上发布。

液体冷却技术已被用于解决功率需求不断增加的计算系统面临的高温挑战。然而,现有的液体冷却技术使用外部连接到完全封装的硅芯片的冷板去除热量,增加了热阻并降低了散热效率。

为了制造液体冷却系统,Bakir和研究生Thomas Sarvey从Altera的FPGA芯片背面取下散热片和散热材料。然后,他们将冷却通道蚀刻到硅中,加入直径约100微米的硅圆柱体,以改善热量传输到液体中。然后将硅层放置在流动通道上,并且连接端口以连接水管。

在多个测试中 - 包括在弗吉尼亚州阿灵顿的DARPA官员的演示 - 采用Altera提供的定制处理器架构来操作液冷式FPGA。入水温度约为20摄氏度,入口流量为每分钟147毫升时,液冷式FPGA的运行温度低于24摄氏度,而运行在60摄氏度的空气冷却设备。

乔治亚理工学院电气与计算机工程学院教授Sudhakar Yalamanchili和研究小组的合作者之一加入了DARPA示范团队,讨论电热协同设计。 Bakir说:“我们已经创建了一个真正的电子平台来评估液冷与空冷的好处。 “这可能会打开堆叠多个芯片的大门,可能会将多个FPGA芯片或FPGA芯片与功耗较高的其他芯片堆叠在一起。我们看到这些液冷芯片的温度显着下降。“

研究团队选择了FPGA进行测试,因为他们提供了一个平台来测试不同的电路设计,而且FPGA在很多细分市场都很常见,包括防御。但是,相同的技术可以 Bakir说,也被用来冷却CPU,GPU和功率放大器等其他设备。

除了改善整体散热之外,该系统还可以通过更接近电源的方式降低电路中的热点。消除散热器可以使电子设备的封装更加紧凑 - 但只有在电气连接问题也得到解决的情况下。

在一个独立的研究项目中,Bakir的小组已经展示了铜通孔的制造,这些通孔将穿过作为在FPGA上制造的冷却结构的一部分的硅柱。研究生Hanju Oh与工程学院院长Gary May共同建议,通过硅柱制造高纵横比的铜过孔,减少了芯片之间传输信号的连接的电容。 Bakir说:“当你开始考虑堆叠芯片的时候,你需要有铜过孔来连接它们。 “通过将系统组件紧密放在一起,我们可以缩短互连长度,从而提高带宽密度并降低能耗。”

冷却研究由DARPA的Microsystems Technology Office通过ICECOOL计划资助。在佐治亚理工学院,DARPA资助了两个主要的冷却和系统集成项目,一个叫George W. Woodruff机械工程学院教授Yogendra Joshi指导的一个叫STAECool的项目,另一个由Bakir指导的叫做SuperCool的项目。 Bakir和Joshi与来自机械工程学院的Andrei Fedorov教授和Suresh Sitaraman教授合作开发了一种热设计工具,以仿效具有挑战性的功率图来测试微流体冷却的好处。 Bakie说:“我们已经达到了一个重要的里程碑,我们希望以此作为实现其他目标的垫脚石。 “前面还有一个很大的挑战,但是我们预计这将允许更密集,更高性能的计算系统,这将消耗更少的电力。我们可以为这些散热技术考虑许多有趣的应用。“

Altera的项目首席研究员Arifur Ra​​hman表示:”未来高性能半导体电子将越来越多地被热预算和散热能力所主宰。嵌入式微流体通道为从未来的微电子系统中去除热量提供了一个有趣的选择。“

来源:Georgia Tech