TSMC به دنبال راهی برای مجتمع‌سازی سیستم خنک‌کننده‌ با تراشه‌ است

 طراحی‌ سخت‌افزار به سمت هرچه متراکم‌تر کردن ترانزیستورها پیش می‌رود و لایه‌های عمودی سه‌بعدی در طراحی تراشه‌ها بیشتر می‌شوند؛ اما بالا رفتن دمای مدارات مجتمع به‌عنوان مشکل جدی‌تری خود را نشان می‌دهد. محققان TSMC فکر می‌کنند یک راه حل خوب برای خنک کردن تراشه، تعبیه کردن کانال‌های آب به‌صورت مجتمع و بین لایه‌های یک تراشه است. راه حل فوق از لحاظ تئوری ساده به نظر می‌رسد؛ اما پیاده‌سازی درست آن در مدارات الکترونیکی بسیار سخت و پیچیده است.

درک مبانی ریاضی این راه حل آسان است. راه‌حل‌های فعلی برای خنک‌کنندگی مدارات مجتمع، از طریق تماس مستقیم با پخش‌کننده گرمایی یک تراشه، تکنولوژی تماس مستقیم تراشه یا غرق کامل در مایع خنک‌کننده غیر رسانا پیاده‌سازی می‌شوند. دو روش اول تنها قادر به خنک کردن لایه‌هایی هستند که در تماس مستقیم با آن‌ها قرار دادند و بنابراین برای خنک‌سازی لایه‌های عمودی ناکارآمد می‌نمایند. در این صورت لایه‌های پایین‌تر تراشه با مشکل دمایی زیادی مواجه خواهند شد که عملکرد نادرست آن‌ها را در پی خواهد داشت.

روش خنک‌کنندگی غرق در مایع برای تراشه‌های لایه‌لایه راه حل مناسبی به نظر می‌رسد؛ اما هزینه‌بر  است و پیاده‌سازی آن برای مداراتی که برای روش‌های خنک‌کنندگی با هوا یا آب طراحی شده‌اند، دشوار است.

TSMC با در نظر داشتن این مشکلات، راه حل جدید خود را روی یک نیمه‌هادی آزمایشی با نام «ابزار آزمایش حرارتی» (المنت حرارتی از جنس مس) پیاده‌سازی کرده است. این شرکت در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی، سه روش مجتمع‌سازی کانال‌های آبی سیلیکونی را مورد بررسی قرار داده است؛ کانال‌هایی که آب را حول ستون‌های فعال نیمه‌هادی جریان می‌دهد و آن‌ها را خنک می‌کند (مثل جریان آب در اطراف یک جزیره)، طراحی خندقی (مثل یک رودخانه که با سواحلش محدود می‌شود) و در نهایت یک راه حل ساده که طی آن کانال‌های آب به‌صورت تخت روی تراشه در جریان هستند. در این آزمایش‌ها، آب از یک مکانیزم خنک‌کننده خارجی عبور داده می‌شد تا دمای آن پس از عبور از تراشه، به ۲۵ درجه سانتی‌گراد کاهش پیدا کند.

علاوه بر این روش‌ها، TSMC سه راهکار خنک‌سازی با آب را نیز آزمایش کرده است: خنک‌کنندگی مستقیم با آب (DWC) که در آن کانال‌هایی برای عبور آب به‌صورت مجتمع از ابتدا در فرایند ساخت تراشه تعبیه می‌شوند. در راه حل دیگر، کانال‌های آب روی لایه‌های سیلیکون مربوط به خودشان تعبیه می‌شوند و با استفاده از لایه ماده رابط گرمایی (TIM) در اکسید سیلیکون (OX) گرما را از تراشه به لایه خنک‌کننده منتقل می‌کنند و در نهایت راه حل ساده‌تری که لایه اکسید سیلیکون را با مایع فلزی جایگزین می‌کند.

بر اساس گزارش TSMC، روش DWC بهترین نتایج را در پی داشته و راه حل OX-TIM جایگاه دوم را به خود اختصاص داده است.

دستیابی عملی به چنین راه‌کارهایی سال‌ها زمان خواهد برد؛ اما این روش‌ها می‌توانند امکان فشرده‌سازی بیشتر مدارات مجتمع و عملکرد بهتر آن‌ها را در آینده در پی داشته باشند.