La tecnologia di raffreddamento a liquido per i chip a semiconduttore è 10 volte più efficiente dei precedenti.

I data center per l’intelligenza artificiale sono esigenti in termini di energia. Non solo i calcoli di intelligenza artificiale consumano enormi quantità di elettricità, ma è necessaria anche una quantità significativa di energia per raffreddare i chip a semiconduttore che si surriscaldano durante il funzionamento. Man mano che i chip per l’IA offrono prestazioni sempre più elevate, la quantità di calore che generano aumenta rapidamente. Di conseguenza, il raffreddamento ad aria convenzionale e i dissipatori di calore esterni in rame stanno raggiungendo i loro limiti pratici. Per affrontare questa sfida, un team di ricerca del KAIST ha sviluppato una tecnologia di raffreddamento a liquido ad altissima efficienza che raffredda i chip a semiconduttore dall’interno.

Un team di ricerca congiunto, guidato dal professor Sung Jin Kim del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e dal professor Ikjin Lee della Scuola di Intelligenza Artificiale e Informatica, ha sviluppato una tecnologia di raffreddamento a liquido altamente efficiente che raffredda direttamente i chip semiconduttori ad alto flusso termico utilizzando acqua a temperatura ambiente. I ricercatori hanno raggiunto questo risultato integrando canali di raffreddamento a liquido, più sottili di un capello umano, direttamente all’interno di un chip semiconduttore di silicio. L’articolo è stato pubblicato sulla rivista Energy Conversion and Management .

Il team è riuscito a mantenere la temperatura del chip al di sotto dei 100 °C (212 °F) anche in condizioni estreme di generazione di calore superiori a 2.000 watt per centimetro quadrato (W/cm²). ² ).

Come funziona il sistema di raffreddamento

I ricercatori si sono concentrati su una struttura a microcanali complessa integrata direttamente in un chip di silicio. Il raffreddamento a microcanali rimuove il calore attraverso canali fluidici microscopici, più piccoli di un capello umano. Nei sistemi convenzionali, il liquido di raffreddamento deve percorrere numerosi microcanali da un’estremità all’altra del chip. Questo lungo percorso aumenta la resistenza al flusso e richiede una maggiore potenza di pompaggio per far circolare il liquido.

La struttura a collettore sviluppata dal team di ricerca distribuisce il liquido di raffreddamento attraverso molteplici canali di ingresso e lo raccoglie poi attraverso diverse uscite. Si può fare un paragone con una rete logistica: invece di spedire tutte le merci da un unico punto di origine a una destinazione distante, più centri di distribuzione sono strategicamente posizionati per ridurre le distanze di trasporto.

Poiché il liquido di raffreddamento percorre solo una breve distanza all’interno di ciascun canale, la resistenza al flusso si riduce e la pressione di pompaggio necessaria diventa molto inferiore. Allo stesso tempo, il liquido di raffreddamento viene distribuito in modo più uniforme in tutto il chip, contribuendo a mantenere una distribuzione della temperatura estremamente omogenea sull’intero dispositivo.

Ottimizzazione delle prestazioni e dell’efficienza

L’innovazione chiave di questo lavoro non consiste semplicemente nel ridurre le dimensioni dei microcanali. I ricercatori hanno ottimizzato sistematicamente la larghezza, l’altezza, il numero, la disposizione e la portata del fluido refrigerante dei canali per massimizzare le prestazioni di raffreddamento e minimizzare le perdite di energia. Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato un framework di ottimizzazione multi-fedeltà , impiegando inizialmente un modello unidimensionale rapido per esplorare un ampio spazio di progettazione e successivamente perfezionando i progetti selezionati con simulazioni ad alta fedeltà.

Grazie a questo approccio, il team è riuscito a ottimizzare simultaneamente le prestazioni di raffreddamento, la caduta di pressione e l’uniformità della temperatura. Di conseguenza, ha individuato una configurazione ottimale all’interno di un enorme spazio di progettazione che in precedenza era stato difficile da esplorare a causa di limitazioni computazionali.

La ricerca esistente sui collettori magnetici a matrice metallica (MMC) si è scontrata con un problema: il refrigerante si concentrava in alcuni canali, non venendo fornito a sufficienza ad altri. Il team di ricerca ha ottimizzato la struttura in modo che il refrigerante fluisca uniformemente attraverso tutti i canali. Per raggiungere questo obiettivo, ha analizzato numerose proposte di design utilizzando sia un semplice modello computazionale che simulazioni precise, individuando la struttura ottimale che migliora le prestazioni di raffreddamento riducendo al contempo le perdite di energia.

La struttura ottimizzata è stata quindi realizzata su un vero e proprio chip semiconduttore di silicio e validata sperimentalmente. Nelle stesse condizioni di aumento di temperatura, il sistema di raffreddamento ha raggiunto un coefficiente di prestazione di 106.000. Questo valore è circa 10 volte superiore al precedente risultato record mondiale di circa 10.000, riportato su Nature nel 2020. In termini pratici, significa che è necessaria solo circa un decimo della potenza di pompaggio per rimuovere la stessa quantità di calore.

Perché è importante per i data center

In particolare, queste prestazioni sono state raggiunte senza ricorrere al raffreddamento a cambiamento di fase, a modifiche superficiali su scala nanometrica o a materiali costosi come il diamante. Come refrigerante è stata utilizzata normale acqua a temperatura ambiente. Inoltre, il dispositivo è stato fabbricato utilizzando un processo a bassa temperatura inferiore a 350 °C (662 °F) compatibile con la produzione convenzionale di semiconduttori. Ciò significa che la tecnologia potrebbe essere implementata nelle fonderie di semiconduttori esistenti senza richiedere ingenti investimenti aggiuntivi in ​​attrezzature.

Si prevede che questa tecnologia contribuirà ad affrontare le sfide della gestione termica in un’ampia gamma di sistemi elettronici ad alto flusso di calore, tra cui acceleratori di intelligenza artificiale, sistemi di calcolo ad alte prestazioni, packaging tridimensionale di semiconduttori, elettronica di potenza ed elettronica per la difesa. In particolare, i data center sono sempre più limitati non solo dalle prestazioni di calcolo, ma anche dal consumo energetico per il raffreddamento e dai requisiti dell’infrastruttura di raffreddamento. Le tecnologie che riducono la potenza di pompaggio a livello di chip potrebbero quindi svolgere un ruolo importante nel migliorare l’efficienza energetica dei data center di prossima generazione e nell’attenuare i colli di bottiglia termici.

Il professor Kim ha affermato: “Poiché le prestazioni dei semiconduttori per l’intelligenza artificiale e del packaging elettronico avanzato sono sempre più limitate dal calore, prevediamo che questa tecnologia fungerà da soluzione di raffreddamento fondamentale per i futuri sistemi di calcolo ad alte prestazioni”.

Punti salienti

• Raffreddamento microfluidico ad alto flusso termico superiore a 2.000 W/cm mantenendo T °C
• Raffreddamento ad acqua monofase con costi eccezionalmente bassi di 7,8 kPa a 2.000 W/cm
• Fabbricazione compatibile con CMOS al di sotto di 350 °C con spessore totale di 880 M
• COP record di 106.000 a 1.180 W/cm quasi 10 efficienza energetica rispetto allo stato dell’arte

Abstract

La gestione termica è diventata una sfida critica, poiché il flusso di calore a livello del die dei componenti elettronici avanzati supera i 1.000 W/cm². I dispositivi di raffreddamento microfluidici integrati nel substrato semiconduttore offrono una soluzione promettente per affrontare questi elevati flussi di calore. Tuttavia, i dispositivi di raffreddamento microfluidici convenzionali soffrono di un’eccessiva caduta di pressione e di distribuzioni di temperatura non uniformi sul chip, che riducono l’efficienza di raffreddamento e l’affidabilità del dispositivo. In questo lavoro, viene sviluppato un sistema di raffreddamento microfluidico a collettore ad alta efficienza energetica e ne viene dimostrata sperimentalmente la capacità di dissipare flussi di calore a livello del die superiori a 2.000 W/cm². mantenendo la temperatura di giunzione al di sotto di 100 °C. Questa prestazione è ottenuta con una caduta di pressione totale di 7,8 kPa in funzionamento monofase utilizzando acqua a temperatura ambiente come refrigerante. A tal fine, è stato sviluppato un framework di modellazione e ottimizzazione multi-fedeltà che integra strategicamente un modello unidimensionale rapido di indagine del dominio con accurate simulazioni numeriche tridimensionali. I parametri di progettazione sono ottimizzati sistematicamente per massimizzare le prestazioni termo-idrauliche e garantire una distribuzione uniforme della temperatura del chip. Il refrigeratore microfluidico ottimizzato incorporato nel chip di test termico in silicio è fabbricato utilizzando una bassa temperatura ( 350 °C), processo compatibile con CMOS, con uno spessore totale di 880 m. È stato riportato un coefficiente di prestazione (COP) record di 106.000 a un flusso termico a livello del die di 1.180 W/cm con il vincolo di un aumento massimo di temperatura di 60 K. Ciò corrisponde a un miglioramento di quasi dieci volte nell’efficienza energetica rispetto allo stato dell’arte precedente e rappresenta un significativo passo avanti verso il raffreddamento sostenibile per l’elettronica ad alte prestazioni.

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