Az elkövetkező időszakban egyre nagyobb szerephez juthatnak majd a 3D-s chipszerkezetek, amelyek lényege, hogy több különböző lapkát is egymásra rétegeznek majd a gyártók, ezáltal helytakarékosabb, több szempontból is ütőképesebb lapkák készülhetnek majd. Noha ez igen-igen jól hangzik, a dizájnnal vannak azért hátulütői is: egyrészt a chipek felépítése komplexebb lesz, ami mindenképpen bonyolítani fogja a gyártást és így a költségek emelkedését is okozhatja, plusz a háromdimenziós chipszendvicsek hűtése is kihívások elé állíthatja a tervezőket és a gyártókat.
Ezt a problémát a kutatók már évekkel ezelőtt látták, így már 2017 folyamán folytak kísérletek azzal kapcsolatban, hogyan lehetne mikrocsatornás folyadékhűtést integrálni az egyes lapkákba. A problémával az utóbbi években látszólag nem igazán foglalkoztak, most viszont, hogy a 3D Stacking egyre nagyobb szerephez juthat a nem is oly távoli jövőben, ismét napirendre került a téma, hála a TSMC kutatócsapatának.
A legújabb kutatási eredményekről a nemrégiben megrendezett VLSI Symposium alkalmával tett említést a TSMC. A szakemberek ebben az esetben nem kevesebb, mint háromféle megoldást vizsgáltak, amelyek mind-mind chipbe vagy chipre épített folyadékhűtésre támaszkodó hőelvezetéssel dolgoznak. Ezek a megoldások az alábbiak:
- DWC (Direct Water Cooling), azaz közvetlen folyadékhűtés: Ennél a megoldásnál a folyadékhűtő csatornákat a 3D lapkaszendvics felső szilíciumlapkáiba integrálják
- Si LID with OX TIM: Itt már egy külön szilíciumréteget használnak fel a folyadékhűtő csatornák kialakítására, ez a réteg pedig egy hővezető anyagon, egy Silicon Oxide Fusion rétegen keresztül veszi át a hőt az alatta található lapkaszendvicstől
- Si LID with LMT: A fentihez hasonló megoldás, ám a hővezető réteg itt már nem Silicon Oxide Fusion réteg, hanem egyszerű folyékony fém paszta
A fenti technológiákat természetesen tesztelték is, ám ebben az esetben nem egy konkrét 3D-s chipszendvics került a hűtés alá, hanem egy Thermal Test Vehicle (TTV), amely hőtermelő elemként funkcionált, így ellenőrizni lehetett, a fenti három koncepció mekkora hatásfokkal működik. A kutatók kétféle mérést is elvégeztek mindhárom esetben: az egyik mérés alkalmával percenként 2 liter, míg a másik mérésnél már percenként 5,8 liter hűtőközeg áramlott át a rendszeren.
Ahogy az a fenti eredményekből is látszik, magasan a DWC, azaz a közvetlen folyadékhűtés bizonyult a leghatékonyabbnak, ami az adott lapkaszendvics szilícium lapkájában közvetlenül kialakított folyadékcsatornákkal dolgozik. A folyadékcsatornákat természetesen tovább lehetne optimalizálni a még jobb hűtőteljesítmény elérésének érdekében, de már az aktuális tesztek is igen biztatóak.
Az egyelőre nem világos, hogy a TSMC pontosan mikor kezdi meg az új hűtési technológia alkalmazását a kereskedelmi forgalomba kerülő lapkáknál – ez valószínűleg a megrendelői igényektől és lehetőségektől is erősen függ majd. Az újfajta hűtési megoldás várhatóan majd inkább csak akkor juthat szerephez szélesebb körben, ha a 3D tokozást használó chipek egyre inkább elterjednek és a melegedésből, illetve a nem elég hatékony hűtésből fakadó problémák egyre szélesebb körben jelentkeznek.
