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IBM et le refroidissement direct on die des puces

Posté par David D. le 06/06/2008 à 15:50 | Source : IBM

La recherche et développement chez IBM est souvent l'une des plus prolifiques qui soit dans le domaine des semi-conducteurs et des domaines associés comme leur refroidissement. Bien que déjà évoqué par d'autres, ils ont montré la possibilité de refroidir directement des puces empilées les unes sur les autres à l'aide de microcanaux intégrés dans l'assemblage entre chaque couche.

D'une part, le fait de les empiler permet de gagner en place, de réduire quasiment à zéro la distance entre les puces et donc d'augmenter le nombre de canaux et le débit entre elles, mais ça permet aussi d'être au plus près des sources de chaleur avec leur système pour en évacuer la puissance dissipée. Ca devient nécessaire dans ce genre d'assemblage car plusieurs problèmes se posent.

Chaque couche est en effet presque isolée de la suivante par une couche d'air du fait des liaisons à effectuer par des petits plots de contact (interconnexions), donc la chaleur émise ne peut pas s'en échapper efficacement, ce qui est très mauvais car la température de la puce grimpera en flèche. La multiplication des sources de chaleur permet d'atteindre jusqu'à 1000 W dissipés sur une surface pas plus étendue que 4 cm² et sur 1 mm de hauteur, autrement dit la densité volumique de puissance est énorme. Un refroidissement traditionnel ne suffit alors pas du tout et n'est pas adapté à la configuration.

Les essais sur un prototype de 1x1 cm, avec des rangées de microcanaux de Ø0.1 mm entre deux couches avec 10000 interconnexions verticales par centimètre carré et dans lesquels circulent de l'eau, ont permis d'extrapoler un taux de dissipation allant jusqu'à 180 W/cm² dans la structure finale, autrement dit c'est très bon et bien suffisant. L'efficacité des microstructures montre tout son potentiel, mais cela demande tout de même des précautions, ne serait-ce qu'un filtrage très fin de l'eau pour ne pas encrasser les canaux qui pourront être encore plus fins ensuite ou bien encore l'isolation électrique parfaite au niveau des interconnexions pour éviter tout risque de court-circuit. Et pourquoi ne pas remplacer l'eau par du LN2 pour être bourrin jusqu'au bout :D. Rendez-vous dans quelques années pour voir si ces systèmes seront devenus courants...



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Vos commentaires
A vous la parole...

le 06/06/2008 à 19:25
dmatter
Pour ce type d'empilement il serait peut être bien plus profitable d'utiliser, comme pour certaine carte graphique ATI un système en 2 partie
La Première parti contenant comme dans les caloducs un fluide base pression qui refroidit les puces et amène la chaleur sur une surface beaucoup plus importante comme le headspreader du CPU comme cela on passe en gros de 1 cm caré empilé 10 fois au 5 cm carré de la protection du CPU
La Deuxième partie sera un refroidissement traditionnellement par air ou eau
Comme cela pas de problème d'impureté et un gaz ce déplace bien mieux dans des canaux aussi petit, il faut par contre peut être modifier un peut le design de la puce pour avoir un écoulement naturel du fluide de la parti chaude vers la partie froide comme dans les tube de caloduc ou les performances peuvent augmenté de manière importante selon l'orientation du tube
le 06/06/2008 à 20:35
etaty
tu oublie que IBM cherche à avoir un empilement des interconnexions maximale et donc faire passer un liquide ou gaz entre ces connexions induit énormément de perte de charge, ce qui fait le déplacement naturel du fluide n'est pas envisageable.
le 06/06/2008 à 21:07
Rosco
C'est évident que la perte de charge est un peu élevée ici, même sur plusieurs étages parallélisés, mais ce genre d'applis utilise généralement des pompes à très faibles débits mais permettant une pression de plusieurs bars pour forcer le passage... Il faudrait se procurer l'étude pour avoir des données sur les débits employés, les températures obtenues, etc. car là ce n'est que de la comm sans détails.

Rien n'empêche d'utiliser un fluide différent qui puisse bouillir à basse T° à la place de l'eau (ou alors on dépressurise pour lui abaisser son point d'ébullition vers 40°C par ex.). On travaille alors directement avec un écoulement diphasique (liquide + vapeur, vapeur qui apparait au contact des dies chauds) et normalement on booste sérieusement l'efficacité du système car l'ébullition est le moyen le + efficace de transférer de la chaleur avec un fluide. Le filtrage des impuretés n'est pas un souci dans un système bien fait, un filtre calibré et basta. Plus on ajoute d'étages dans la chaine de refroidissement (sans éléments actifs type Peltier), plus on perd en efficacité... Autant être au + près donc.

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