Нов чип тества решения за охлаждане при 3D интегрирани микроелектронни системи

31.07.2025   |   Начало»Технологии

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

С нарастващото търсене на по-мощни и ефективни микроелектронни системи секторът се насочва към 3D интеграция – "струпване" (stacking) на чипове един върху друг. Вертикално наслоената архитектура може да позволи високопроизводителни процесори като тези, използвани за изкуствен интелект, да бъдат корпусирани в близост до други високоспециализирани чипове за комуникация или цифрова обработка. Но техническите специалисти навсякъде се изправят пред едно основно предизвикателство: как да се предотврати прегряването на тези "стекове".

Лабораторията "Линкълн" към Масачузетския технологичен институт (MIT) е разработила специализиран чип за тестване и валидиране на решения за охлаждане на корпусирани стекове от чипове. Чипът разсейва изключително висока мощност, имитирайки високопроизводителни логически чипове, за да генерира топлина през силициевия слой и в локализирани горещи точки. След това, когато към корпусирания стек се прилагат охлаждащи технологии, чипът измерва температурните промени. Когато е разположен в стек, чипът ще позволи на учените да изучават как топлината се движи през слоевете на стека и да определят напредъка при тяхното охлаждане.

"Ако имате само един чип, можете да го охлаждате отгоре или отдолу. Но ако започнете да подреждате няколко чипа един върху друг, топлината няма откъде да избяга. Понастоящем не съществуват методи за охлаждане, които да позволяват струпването на няколко наистина високопроизводителни чипа", разказва Ченсън Чен, научен ръководител на проекта заедно с Райън Кийч.

Тестовият чип вече се използва в HRL Laboratories – научноизследователска компания, съсобственост на Boeing и General Motors – докато учените разработват охлаждащи системи за 3D хетерогенно интегрирани (3DHI) системи. Хетерогенната интеграция се отнася до подреждането на силициеви чипове с несилициеви, като например III-V полупроводници, използвани в радиочестотни (RF) системи.

"RF компонентите могат да се нагряват силно, което допълнително усложнява 3D интеграцията", обяснява Кийч.

Разработката на тестовия чип е финансирана от Министерството на отбраната на САЩ. За отбранителния сектор 3DHI отваря нови възможности за критични системи, като например увеличаване на обхвата на радарни и комуникационни системи, интеграция на авангардни сензори в малки платформи като безпилотни летателни апарати или обработка на данни от изкуствен интелект директно в полеви системи вместо в отдалечени центрове за данни.

Тестовият чип е разработен чрез сътрудничество между проектанти на интегрални схеми, експерти по електрически тестове и техници в Лабораторията по микроелектроника на MIT.

Как работи тестовият чип

Чипът изпълнява две функции - генериране на топлина и измерване на температура. За да генерира топлина, екипът проектира схеми, които могат да работят при много висока плътност на мощността – в диапазона на киловати на квадратен сантиметър, сравнимо с прогнозираните енергийни изисквания на високопроизводителни чипове днес и в бъдеще. Те също така възпроизвеждат разположението на схемите в тези чипове, което позволява на тестовия чип да служи като реалистичен заместител.

"Адаптирахме нашата налична силициева технология, за да проектираме по същество радиатори на ниво чип", казва Чен, който притежава дългогодишен опит в сложната интеграция и проектиране на чипове. През 2000-те години той помага на лабораторията да стане пионер в разработката на двуслойни и трислойни интегрални схеми, поставили основата на 3D интеграцията.

Радиаторите на чипа емулират както фоновите нива на топлина в един стек, така и локализирани горещи точки. Горещите точки често се появяват в най-дълбоко разположените и труднодостъпни области на чиповия стек, което затруднява разработчиците на 3D чипове да преценят дали охлаждащите методи – като например микроканали с течен охладител – достигат до тези точки и дали са достатъчно ефективни.

Тук влизат в употреба елементите за измерване на температура. Чипът е снабден с "миниатюрни термометри", отчитащи температурата в множество точки, когато се прилагат охладители.

Тези термометри всъщност са диоди, които позволяват преминаването на ток през схема при наличие на напрежение. С нагряването на диодите се променя съотношението ток-напрежение. "Можем да проверим работата на диода и да знаем, че той е нагрят на 200°C, 100°C или например 50°C. Помислихме креативно как устройствата могат да се повредят от прегряване и след това използвахме същите свойства, за да проектираме полезни измервателни прибори", обяснява Кийч.

Чен и Кийч, заедно с други експерти, си сътрудничат с учени от HRL Laboratories, докато комбинират чипа с нови охлаждащи технологии и интегрират тези технологии в 3DHI стек, който може да повиши мощността на RF сигнала. "Трябва да охлаждаме топлинен еквивалент на повече от 190 лаптоп процесора, но в размерите на един единствен CPU корпус", казва Кристофър Роупър, изследовател в HRL.

"Стековите архитектури са считани за следващия рубеж в микроелектрониката", обяснява Кийч. "Искаме да помогнем на правителството на САЩ да изпревари тенденциите при намирането на начини за ефективната им интеграция и осигуряване на възможно най-висока производителност на тези чипове."

Ключови думи: MIT   3DHI   отбранителна индустрия  

Област: Електроника