解决3D芯片堆叠难题，突破摩尔定律微缩限制

为了解决3D芯片堆叠时的液体冷却问题，美国国防部先进研究计划署(DARPA)与IBM、乔治亚理工学院合作展开芯片内/芯片间增强冷却计划，如今已经开发出一种使用绝缘介电质制冷剂(以取代水)的途径。

负责打造该原型机的研究人员说，这种方法能将制冷剂泵送至整个微流体芯片通道，从而降低了冷却超级电脑CPU的成本，并经由在每个磊晶之间安全地泵送制冷剂，即使是最厚的3D芯片堆叠内部都能加以冷却。

DARPA的ICECool计划采用微流体冷却基板、芯片或封装的内部，期望以“嵌入式”热管理方式克服远端冷却的局限。

IBM的华生研究中心首席研究员Tim Chainer说：“我们的原型是一款8核心的Power7超级电脑，背面的微流体通道蚀刻用于散热，将它与气冷式Power7超级电脑放在一起比较。所取得的进展降低了25℃的接面温度[44℉]、功耗更低7%，其冷却架构也更简洁。我们还打算使3D芯片可堆叠至任何高度，从而克服摩尔定律(Moore‘s Law)的微缩限制。”Chainer的团队与苏黎世的IBM Research研究人员共同合作，同时也获得了Georgia Tech研究人员的支持。

传统的空调冷却方式使用冷空气和散热片(顶部)，经证实不如温水冷却(中央)，而DARPA ICECool计划开发的技术承诺可借由使用介电质蒸气(底部)，进一步缩减尺寸与成本。

Chainer回顾了多核心架构的转变如何克服了几年前处理器的5GHz速度限制。如今，接面温度可以降低44℉，让工程师能再次启动时脉。Chainer说，绝缘介电质冷却的3D芯片堆叠同样可以克服摩尔定律的微缩限制。

冷却具有绝缘介电质流体的3D芯片堆叠时，该绝缘介电质流体沸腾成蒸汽，并从间隔100微米距离的50微米堆叠中提取热，使裸金属通孔可在芯片之间运行，如同水冷却剂一样形成互连而不至于造成短路。

他说：“我们正生活在电脑创新最激动人心的时刻，这是由于工程师的聪明才智克服了曾经被认为无法逾越的摩尔定律限制。”

借由水冷系统，IBM得以让资料中心无需再使用空调。但为了ICECool计划而开发的绝缘介电质蒸汽系统，也不需要使用冷却器(右上)和冷却塔(左上)

在决定采用Honeywell的Solstice Ze R-1234ze之前，IBM评估过十几种制冷剂，因为制冷剂在室温下为液体，但在一般的芯片温度(高达85℃或185℉)时蒸发，并在蒸发过程中提取热量。由于制冷剂在室温下会返回液态，所以不需要像传统冰箱使用的压缩机。相反地，Solstice Ze R-1234ze只需要通过铜管道线圈(类似于酒精蒸馏器或汽车散热管)的引导，就能在穿过芯片或从芯片之间返回液体形式。

Honeywell制冷剂也是一种介电质，因此可以在芯片之间泵送，而不需要金属元件的绝缘，包括矽穿孔(TSV)。微流体通道可以透过单个芯片执行，涵盖全部的3D堆叠芯片。3D芯片堆叠中非腐蚀性制冷剂的最佳使用是将CMOS芯片削薄到50微米厚，并在其间留下100微米的间隙。围绕边缘的中空矩形间隔物包含堆叠中的制冷剂，每一侧的接头在一侧泵入液体，并在另一侧移除其蒸汽。接着，蒸汽通过蒸馏器，让制冷剂返回液体形式以便泵送回芯片堆叠中。

Chainer说：“我们期望Honeywell、3M等绿色制冷剂制造商能研究和生产适用于半导体产业的客制化配方，但是，Solstice R-1234ze是目前所能找到的最佳产品。”虽然IBM和Georgia Tech着重于ICECool计划下的商用高性能电脑上，但Raytheon和波音(Boeing)等公司生产的解决方案可用于防御应用中冷却雷达装置和其他超高频设备。DARPA的计划在大约四年内完成了目标。如今，IBM、Raytheon和波音正从各自的研究实验室中，将技术传递到制造业。这些技术预计最快将在2018年之前出现在商用产品和军事设备中。