3Dプリントされたベアダイ液体チップクーラーが障壁を打ち破り、冷却性能を3.5倍に向上

この投稿は warrior bear によって 2023-5-22 22:10 に最後に編集されました。

2023年5月22日、Antarctic Bearは、チップ研究大手のimecがベルギーのアントワープで開催されたITF世界会議で、3Dプリントされたプロセッサクーラーという非常に興味深いオブジェクトを展示したことを知りました。これらのプロトタイプクーラーは、CPU や GPU などの高負荷プロセッサの冷却能力を 3.5 倍向上させ、現在最高の CPU クーラーよりも優れた性能を発揮し、より高い電力密度を実現して、最新のチップの未開発のパフォーマンスを解き放ちます。この研究成果により、チップ業界に新しいタイプのウォータークーラーがもたらされると期待されています。

プロセッサチップに直接液体を塗布するベアダイ冷却は、チップによって発生する熱を放散する主流の方法になりつつあり、IMEC は、最も高密度のプロセスノードの性能を最大限に引き出す新しいテクノロジーでその先頭に立っています。これは、チップのノードがどんどん小さくなるにつれて消費電力が急増し、消費電力が少しずつ減少するため、新しいチップが生成されるたびにますます重要になります。さらに、トランジスタが小さくなると電力密度が高くなり、冷却が複雑になり、最終的にはチップのパフォーマンスが制限されます。

チップ設計者の究極の目標は、より少ないスペースでより多くのことを実現することです。それでも、今日のチップはすでに電力制限されており、チップの実行中は特定の TDP と温度制限内に収めるために「ダークシリコン」領域がシャットダウンされます。つまり、ほとんどのチップは、通常の動作時には潜在能力のほんの一部しか発揮しません。さらに、この問題はチップの世代が進むごとに悪化している。AMD の Epyc Genoa などの最新の CPU はすでに 400W で上限に達しており、ロードマップでは将来的には 600W のサーバーチップが予定されている。
従来の水冷方式は、スタンドアロンの水冷ブロックを使用し、そのコールドプレートがチップのヒートシンクと連携してプロセッサを冷却するというものです。下の写真に示す 3D プリントされたプロトタイプクーラーは異なります。プロセッサの表面に直接冷却剤を送り込むことで、冷却能力が向上します。
△ CPU 冷却 (画像提供: Tom's Hardware)
3D プリントされた水冷ブロックにより迅速なプロトタイピングが可能になり、imec は 3D プリントでさまざまな種類の標準ポリマーを使用して、冷却ブロックが温度負荷に対応できることを確認しました。ウォーターブロックはさまざまな方法でカスタマイズできます。カスタムノズルアレイは、冷却機能を高めるためにベクトル操作に使用されるチップの個々のコアや高熱領域の上など、チップ表面のターゲット領域に直接液体を噴霧します。
ウォーターブロックも、できるだけスペースを取らないようにカスタムメイドされており、現在はウォーターブロックの周囲から液体が漏れるのを防ぐために O リングを使用しています。もちろん、imec は数種類の異なるタイプのシーリング機構と、3D プリントされた水冷ブロックの異なるタイプの材料を試しています。
これらのクーラーでは、処理水や冷媒など、ほぼすべての誘電流体を使用できます。もちろん、液体が導電性でない場合でも、ベアダイ液体冷却では、コンデンサや PCB 上のその他の電子回路など、チップの周囲の領域を密閉する必要があります。ただし、冷却剤をチップにできるだけ近づけるため、ダイの上部には封止材が一切使用されていません。研究者らはチップの滑らかな表面に直接液体を注入したが、チップの上にストライプを追加するなどの他のアプローチにより、さらに高い冷却性能を実現できる可能性がある。
シーラントは、急速な熱サイクルとシステム内で使用されるさまざまな冷却剤との相互作用により、長期的な信頼性の課題を引き起こします。それでも、imec は長期的な信頼性を確保するために、すべての材料の適切な組み合わせを計画的に見つける作業に取り組んでいます。

一般的に、1 平方センチメートルあたり 100W を超える電力を冷却するのは経済的ではないことが証明されており、シリコン 1mm2 に広がる 1W の電力は効果的に冷却できるという一般的な経験則が生まれています。しかし、チップがより小さなプロセスノードに移行するにつれて、その電力密度は劇的に上昇するため、より高い電力集中から熱を除去する能力を向上させることは、さらなるパフォーマンスを継続的に実現するために最も重要です。
通常、消費電力が増えると、チップのパフォーマンスも向上する傾向があります。 imec の研究者らは、1 平方センチメートル内で最大 1,000W (1 平方ミリメートルあたり 100W)、さらには 1 平方ミリメートル内で最大 500W の熱放散を冷却できるが、このタイプの冷却性能はチップ全体にわたって適切に拡張できないため、一般的な性能を代表するものではないと語った。
一般的な用途では、これらのチップクーラーは 1 平方センチメートルあたり 350 W、つまり 1 平方ミリメートルあたり約 3.5 W の冷却能力を達成でき、これは一般的なクーラーの 3.5 倍に相当します。上で示したように、これによりチップ設計者は、平方ミリメートルあたり 4W を超える拡張が必要な単相および二相冷却ソリューションよりも比較的保守的なアプローチで、パフォーマンスの限界を押し広げ続けることができます。
もちろん、この新しい冷却ソリューションの利点を最大限に活用するには、温度上昇やその他の要因など、他の多くの変数に注意を払い、この方法の利点を正確に測定する必要があります。しかし、確かなことが 1 つあります。この方法は、合理的なコスト増加で冷却能力を高める最も簡単な方法の 1 つであるということです。 TSMC が提案している、チップ内部のマイクロチャネルを通じて冷却剤を送り込む研究など、他の技術は明らかにより特殊で、したがってより高価であり、実現にはまだ遠い。
Imec の取り組みはまだ研究段階にあり、研究者たちは大量生産可能な冷却ソリューションを作成するために適切な材料、流体、設計を特定するために取り組んでおり、この研究から生まれた最初の製品が市場に出るまでに 5 年かかる可能性があります。

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