DARPA研究出黑科技，晶元晶體管終於可以繼續縮小了

為了解決3D晶元堆疊時的液體冷卻問題，美國國防部先進研究計劃署(DARPA)與IBM、喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology；Georgia Tech)合作展開晶元內/晶元間(Intrachip/Interchip)增強冷卻(ICECool)計劃，如今已經開發出一種使用絕緣介電質製冷劑(以取代水)的途徑。

負責打造該原型機的研究人員說，這種方法能將製冷劑泵送至整個微流體晶元通道，從而降低了冷卻超級電腦CPU的成本，並經由在每個磊晶之間安全地泵送製冷劑，即使是最厚的3D晶元堆疊內部都能加以冷卻。

DARPA的ICECool計劃採用微流體冷卻基板、晶元或封裝的內部，期望以「嵌入式」熱管理方式克服遠端冷卻的局限（來源：DARPA）

IBM的華生研究中心(Thomas J. Watson Research Center)首席研究員Tim Chainer說：「我們的原型是一款8核心的Power7超級電腦，背面的微流體通道蝕刻用於散熱，將它與氣冷式Power7超級電腦放在一起比較。所取得的進展降低了25℃的接面溫度[44℉]、功耗更低7%，其冷卻架構也更簡潔。我們還打算使3D晶元可堆疊至任何高度，從而克服摩爾定律(Moore's Law)的微縮限制。」Chainer的團隊與蘇黎世的IBM Research研究人員共同合作，同時也獲得了Georgia Tech研究人員的支持。

傳統的空調冷卻方式使用冷空氣和散熱片(頂部)，經證實不如溫水冷卻(中央)，而DARPA ICECool計劃開發的技術承諾可藉由使用介電質蒸氣(底部)，進一步縮減尺寸與成本（來源：IBM）

Chainer回顧了多核心架構的轉變如何克服了幾年前處理器的5GHz速度限制。如今，接面溫度可以降低44℉，讓工程師能再次啟動時脈。Chainer說，絕緣介電質冷卻的3D晶元堆疊同樣可以克服摩爾定律的微縮限制。

冷卻具有絕緣介電質流體的3D晶元堆疊時，該絕緣介電質流體沸騰成蒸汽，並從間隔100微米距離的50微米堆疊中提取熱，使裸金屬通孔可在晶元之間運行，如同水冷卻劑一樣形成互連而不至於造成短路（來源：IBM）

他說：「我們正生活在電腦創新最激動人心的時刻，這是由於工程師的聰明才智克服了曾經被認為無法逾越的摩爾定律限制。」

藉由水冷系統，IBM得以讓資料中心無需再使用空調。但為了ICECool計劃而開發的絕緣介電質蒸汽系統，也不需要使用冷卻器(右上)和冷卻塔(左上)（來源：IBM）

在決定採用Honeywell的Solstice Ze R-1234ze之前，IBM評估過十幾種製冷劑，因為製冷劑在室溫下為液體，但在一般的晶元溫度(高達85℃或185℉)時蒸發，並在蒸發過程中提取熱量。由於製冷劑在室溫下會返回液態，所以不需要像傳統冰箱使用的壓縮機。相反地，Solstice Ze R-1234ze只需要通過銅管道線圈(類似於酒精蒸餾器或汽車散熱管)的引導，就能在穿過晶元或從晶元之間返回液體形式。

Honeywell製冷劑也是一種介電質，因此可以在晶元之間泵送，而不需要金屬元件的絕緣，包括矽穿孔(TSV)。微流體通道可以透過單個晶元執行，涵蓋全部的3D堆疊晶元。3D晶元堆疊中非腐蝕性製冷劑的最佳使用是將CMOS晶元削薄到50微米厚，並在其間留下100微米的間隙。圍繞邊緣的中空矩形間隔物包含堆疊中的製冷劑，每一側的接頭在一側泵入液體，並在另一側移除其蒸汽。接著，蒸汽通過蒸餾器，讓製冷劑返回液體形式以便泵送回晶元堆疊中。

Chainer說：「我們期望Honeywell、3M等綠色製冷劑製造商能研究和生產適用於半導體產業的客制化配方，但是，Solstice R-1234ze是目前所能找到的最佳產品。」雖然IBM和Georgia Tech著重於ICECool計劃下的商用高性能電腦上，但Raytheon和波音(Boeing)等公司生產的解決方案可用於防禦應用中冷卻雷達裝置和其他超高頻設備。DARPA的計劃在大約四年內完成了目標。如今，IBM、Raytheon和波音正從各自的研究實驗室中，將技術傳遞到製造業。這些技術預計最快將在2018年之前出現在商用產品和軍事設備中。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1386期內容，歡迎關注。

R

eading

推薦閱讀（點擊文章標題，直接閱讀）

★新博通成併購大贏家，教科書般的操作

★Kirin970震撼世界，芯里程碑突破

★十二年親歷，我眼中的元器件分銷商

關注微信公眾號 半導體行業觀察，後台回復關鍵詞獲取更多內容

回復 長電科技，看《從江陰小廠到世界前三，長電科技一路狂奔》

回復 英特爾，看《四面楚歌，Intel還能重回巔峰嗎？》

回復 全面屏，看《全面屏手機給供應鏈帶來的挑戰》

回復 晶元市場，看《又一個被廠商做死的晶元市場！》

回復 展會，看《2017最新半導體展會會議日曆》

回復 投稿，看《如何成為「半導體行業觀察」的一員 》

回復 搜索，還能輕鬆找到其他你感興趣的文章！

摩爾邀請您加入精英微信群

你好，感謝長期對半導體行業觀察的關注和支持！為了方便各位精英專家交流，我們組建了一些專業、微信交流群，歡迎你加入，我們還會邀請在摩爾直播App做過技術和行業分享的100+技術大牛入群和大家交流。加群方法： 加群主為好友，填寫加群需求信息，拉你入群。（微信限制每天好友添加數量只有300人，請耐心等待）

地域群：

上海、深圳、北京、江蘇.浙江、西安、武漢、成都.重慶、合肥、廈門.晉華、大連、台灣、新加坡、日本.韓國、美國、歐洲、摩爾直播學習群。

專業群：

模擬射頻設計、EDA.IP、數字晶元設計、模擬混合信號設計、版圖Layout、數字PR.驗證、晶圓製造Fab、設備EE、半導體材料、半導體設備、封裝測試、半導體投資、市場銷售、AE.FAE、嵌入式開發、實習交流、採購.IC代理、AI晶元

專業微信群規則：

1. 專業、高效交流，建議進群請修改群昵稱，格式：公司或學校+職位或專業+中文或英文，請服從群主管理，如果多次違規會被請出交流群；

2. 原則上每人加不超過3個群，精彩討論內容，群主會負責在不同群同步，既然加了群，請大家盡量置頂群，積极參与群討論；

3. 群里聊天討論僅限半導體專業內容，杜絕專業無關內容，特別是養生、拉票、微商等內容，嚴格禁止，為自己公司打廣告以不引起群友反感為限；