A Zurigo, i ricercatori IBM in collaborazione con il Fraunhofer Institute di Berlino hanno realizzato un prototipo che integra il sistema di raffreddamento in un chip a 3D attraverso un sistema di tubazione ad acqua che collega direttamente i vari strati dello stack. Questi cosidetti 3-D chip stacks—in cui i chip e i dispositivi di memoria, che solitamente sono posti uno accanto all’altro su un wafer di silicio, sono impilati uno sull’altro – forniscono uno degli approcci più promettenti per aumentare le prestazioni dei chip oltre ogni aspettativa. Questo annuncio rafforza ulteriormente il primato di IBM nella tecnologia del chip-stacking in ambito produttivo, che ha permesso di ridurre drasticamente la distanza che le informazioni devono percorrere su un chip a solo 1/1000esimo rispetto ai chip a 2D. Inoltre permette di aggiungere un numero 100 volte maggiore di connessioni fra i componenti, per agevolare la circolazione di dette informazioni.
I ricercatori IBM stanno esplorando nuove possibilità per trovare un modo per impilare la memoria sopra ai processori e successivamente sovrapporre più strati di processori. Tuttavia, in uno scenario così futuristico i sistemi di raffreddamento rappresentano una sfida estremamente impegnativa.
“Nel posizionare i chip uno sull’altro per potenziare la capacità del processore di elaborare i dati, abbiamo notato che i tradizionali sistemi di raffreddamento collegati sul retro del chip offrono scarsi livelli di scalabilità. Per poter sfruttare al meglio le potenzialità della tecnologia 3D chip stacking, occore un sistema di raffreddamento su più strati” spiega Thomas Brunschwiler, project leader at IBM’s Zurich Research Laboratory “finora, nessuno è riuscito a fornire soluzioni realizzabili per far fronte a questo problema.”
Questi stacks con chip a 3-D avrebbero una dispersione di calore pari a 1 kilowatt in un volume di mezzo centimetro cubo, un dato mai registrato prima, 10 volte superiore a qualunque altro dispositivo creato dall’uomo. In particolare, le densità di energia in questi processori stack sono maggiori di quelle presenti nei reattori nuclari e al plasma.
Brunschwiler e la sua squadra hanno integrato all’interno di strutture di raffreddamento una serie di mini-tubazioni ad acqua fini come capelli (50 micron) posizionadole tra gli strari dei chip così da rimuovere il calore direttamente dalla fonte in modo efficace. Utilizzando le qualità termofisiche superiori dell’acqua, gli scienziati sono riusciti a dimostrare una capacità di raffreddamento pari a 180 W/cm2 per strato in uno stack con un footprint tipico di 4 cm2. “ Questa è una vera e propria scoperta, Con il sistema di raffreddamento tradizionale impilare due o più layers logici ad alta densità energetica sarebbe impossibile”, afferma Bruno Michel, manager del team di ricerca nell’ IBM Zurich Lab .
Specifiche tecnologiche
In questi esperimenti, gli scienziati hanno portato acqua attraverso un prototipo, con dimensioni di 1 per 1 cm, composto da uno strato di raffreddamento tra due matrici o fonti di calore. Lo strato di raffreddamento è alto solo 100 micron e contiene 10.000 interconnettori verticali per cm2. Il team ha risolto un problema tecnico di fondamentale rilevanza progettando un sistema in grado di massimizzare il flusso d’acqua tra i layers, ma allo stesso tempo capace di sigillare ermeticamente le interconnessioni, per evitare che l’acqua provochi dei cortocircuiti al sistema. La complessità di questo sistema ricorda un pò il funzionamento del cervello umano, dove milioni di nervi e neuroni sono connessi per il passaggio di informazioni ma non interferiscono assolutamente con le decine di migliaia di vasi sanguigni per quanto riguarda il raffreddamento e il fabbisogno di energia.
La fabbricazione dei singoli strati è stata ottenuta con metodi di fabbricazione esistenti, tranne che per la realizzazione dei “buchi” per la trasmissione dei segnali tra i vari layers. Per isolare questi nervi, gli scienziati hanno lasciato una parete di silicio attorno a ciascun interconnettore e hanno aggiunto un fine strato di ossido di silicio per isolare gli interconnettori elettrici dall’acqua. Le strutture dovevano essere realizzate con una precisione di 10 micron, 10 volte in più rispetto agli interconnettori o alle metallizzazioni realizzate nei chip attuali.
Per assemblare i singoli layers, Brunschwiler con i colleghi del Fraunhofer Institute ha sviluppato una sofisticata tecnica di saldatura con pellicola fine, Con questa tecnica, gli scienziati hanno ottenuto i livelli desiderati di qualità, precisione e robustezza che garantisce contatti termici ed elettrici ottimali senza che si verifichino cortocircuiti. Nel set-up finale, lo stack assemblato viene posto in un contenitore di raffreddamento in silicio che assomiglia a un piccolo lavandino. L’acqua viene pompata nel contenitore da un lato e scorre tra i singoli strati di chip per poi uscire dal lato opposto.
Tramite tecniche di simulazione, gli scienziati hanno applicato i risultati sperimentali del loro prototipo a un chip stack di 4-cm2 e hanno ottenuto prestazioni di raffreddamento pari a 180 W/cm2.
In ulteriori studi, Brunschwiler e la sua squadra hanno lavorato all’ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento per chip di dimensioni ancora più piccole e dotati di un numero ancora maggiore di interconnettori. Inoltre stanno svolgendo ricerche su ulteriori strutture sofisticate per il raffreddamento di singoli punti critici o “hotspot”.
Le tappe di un percorso
Questi recenti sviluppi fanno parte del percorso di ricerca intrapreso da IBM che riguarda le tecnologie di raffreddamento: l’obiettivo è riutilizzare il calore generato dai data center catturando l’acqua quando è alla massima temperatura e indirizzandola nell’impianto termoidraulico dell’edificio.
I risultati sono stati presentati in un documento intitolato “Forced convective interlayer cooling in vertically integrated packages” alla conferenza IEEE ITherm a Orlando, Florida, dove è stato premiato con il Best Paper Award. È il terzo anno consecutivo che l’Advanced Thermal Packaging team del centro di Ricerca di Zurigo riceve riconoscimenti importanti per gli sforzi che sta compiendo nell’ambito delle innovazioni sui sistemi di raffredddamento dei chip.
Prendendo spunto dalla natura e dalla grande esperienza maturata in ambito di calore su microscala e trasferimento di massa e tecniche di micro fabbricazione, i ricercatori IBM hanno sviluppato nuove tecnologie di raffreddamento dei chip altamente efficienti, che hanno le potenzialità per risolvere il problema del raffreddamento per molte generazioni future di chip efficienti e ad alte prestazioni. I traguardi raggiunti sono i seguenti:
marzo 2008, gli scienziati del centro di ricerca di Zurigo presentano il modello futuro di un data center a zero emissioni al CeBIT di Hannover, Germania. Sulla base dei potenti sistemi di raffreddamento ad acqua dei chip, gli scienziati hanno progettato nuovi metodi per sfruttare il riutilizzo diretto di energia nei data centers. Questa nuova tecnologia rivoluzionerà l’efficienza energetica e la gestione dei sistemi di raffreddamento, portando così il “green IT” ad un altro livello. .
marzo 2007, i ricercatori di Zurigo presentano un progetto, ispirato alla natura, per un’interfaccia ad alta conduttività termica che permette di raddoppiare le prestazioni di raffreddamento potenziando il trasferimento di calore tra il chip e il cooler. Questo metodo ha ricevuto il Best Paper award alla conferenza IEEE SemiTherm.
giugno 2006, il team presenta il jet impingement cooler, un nuovo sistema di raffreddamento ad acqua che porta acqua direttamente nella parte posteriore del chip. Tale sistema utilizza un sofisticato sistema di canalizzazione a forma di albero che imita il nostro apparato circolatorio, permettendo così di ottenere livelli di efficienza e prestazioni eccellenti sul piano del raffreddamento. Anche questo lavoro è stato premiato con il Best Paper award alla conferenza IEEE ITherm.