Chip 3D con raffreddamento a liquido integrato da IBM

I ricercatori IBM, in collaborazione con il Fraunhofer Institute di Berlino, hanno messo a punto un sistema di raffreddamento ad acqua integrato direttamente nei chip 3D realizzati tramite la tecnologia “chip stacking”.

Occorre specificare che i chip 3D qui menzionati non sono dedicati all’elaborazione grafica tridimensionale. La denominazione 3D deriva dal fatto che tali chip non sono realizzati con la classica tecnologia planare, ovvero con tutti i componenti su un unico strato di semiconduttore a formare un singolo chip.

Un chip 3D si ottiene sovrapponendo in “pila” (“stack”, ndr) diversi elementi planari su più livelli: in questo modo si ottiene un package tridimensionale a più strati esteso in altezza, ognuno contenente un chip dedicato a un compito particolare o chip uguali messi a lavorare in parallelo nello stesso package.

Questo approccio consente di integrare in un unico chip una maggiore densità di elementi di calcolo e, come è lecito aspettarsi, mette il chip stesso nelle condizioni di dissipare una notevole quantità di calore rispetto ai classici modelli planari, con potenze fino a 1KW.

Gli attuali sistemi di raffreddamento a liquido non si sono dimostrati capaci di raffreddare chip a due o più livelli, ponendo un notevole ostacolo alla straordinaria tecnica costruttiva del chip stacking.

Il primo tentativo per la ricerca di una soluzione efficiente è stato condotto instradando acqua in una griglia di microscopici tubi dalle dimensioni di un centimetro quadrato per circa 100 micron di altezza, situata tra due sorgenti di calore. Tale griglia presenta 10000 interconnessioni verticali per centimetro quadrato.

La complessità di una struttura del genere è notevole sia per la microscopica precisione necessaria alla realizzazione, sia per i problemi derivanti dall’isolamento dell’acqua dai circuiti elettrici, onde evitare fenomeni di corto circuito.

Per assemblare il tutto è stata utilizzata una sofisticata tecnica di saldatura per pellicole sottili (Thin Film), ottenendo un risultato di alta qualità caratterizzato da precisione, robustezza ed eccellenti proprietà termiche.

Nella figura qui in alto è possibile vedere un modello del prodotto finito, con le frecce colorate a indicare l’acqua fredda in entrata da un lato e quella calda in uscita dall’altro. Tramite simulazioni, gli scienziati hanno estrapolato i risultati sperimentali dei loro prototipo di prova con un chip stack da 4 centimetri quadrati e una capacità di raffreddamento pari a 180 watt per centimetro quadro.

L’importanza di questo risultato è impressionante se si pensa agli sviluppi futuri della tecnologia dei chip 3D con chip stacking poiché sarebbe l’unico modo per smaltire efficacemente il calore prodotto da tali “mostri” per il calcolo.

Per approfondimenti vi segnalo la press relase in lingua inglese, sicuramente più apprezzata dagli addetti ai lavori perché più ricca di termini tecnici.

In alternativa è possibile consultare la press relase in italiano, anche se personalmente non mi sembra ugualmente precisa.