IBM presentó un sistema de enfriamiento líquido para chips apilados.

Los chips apilados en 3D prometen aumentar la performance de los procesadores a niveles que serían imposibles de alcanzar usando las técnicas tradicionales que colocan los componentes lado a lado. El problema de los chips 3D es que generan una cantidad de calor que los hace inviables. Pero los científicos de IBM ya han encontrado una posible solución al problema del calor.

A medida que los procesadores agregan núcleos, circuitos y otros componentes, la cantidad de calor que generan se incrementa exponencialmente. Los investigadores y los fabricantes de chips han encontrado que la capacidad para disipar calor será uno de los principales desafíos en el diseño de chips en el futuro.

Investigadores de los laboratorios de IBM y del Instituto Fraunhofer de Berlín han demostrado un prototipo de chip 3D que posee un sistema de enfriamiento líquido incorporado, el cual distribuye agua directamente entre las capas del procesador apilado.

El chip 3D toma los componentes que en un chip tradicional se colocan lado a lado y los monta unos sobre otros en una pila. Mientras que este proceso permite a los fabricantes de chips crear procesadores más poderosos, con interconexiones más cortas entre los componentes para reducir la distancia que recorren los datos, el proceso presenta desafíos en materia de enfriamiento. Con los chips apilados, la información debe recorrer apenas una milésima parte de la distancia que necesita para viajar en un chip 2D tradicional. Además de los caminos más cortos para los datos, el proceso 3D también permite multiplicar por 100 el número de caminos para que fluyan los datos. Ambas técnicas juntas incrementan notablemente la performance potencial de los chips apilados en 3D.

El problema que enfrentan los investigadores al diseñar estos chips 3D es la gran cantidad de calor que disipan las capas, el cual se acerca a 1 kilovatio en un volumen de sólo medio centímetro cúbico. Los científicos de IBM observan que el nivel de disipación de calor es diez veces mayor que cualquier otro dispositivo existente, y que las densidades de energía en los procesadores apilados son mayores que las de los reactores nucleares y de plasma.

Thomas Brunschwiler, líder de proyecto en el laboratorio de investigación de IBM en Zurich, dijo en un comunicado que “a medida que empaquetamos chips uno sobre el otro para aumentar la velocidad en que un procesador puede procesar los datos, hemos encontrado que los coolers convencionales colocados encima del chip simplemente no escalan. Para aprovechar el potencial del apilado de chips de alta performance en 3D, necesitamos un sistema de enfriamiento entre capas. Hasta ahora, nadie ha demostrado soluciones viables a este problema”.

La solución que avizoró el equipo de IBM consiste en hacer correr agua a través de una estructura de tubos de apenas 50 micrones, ubicados entre las capas individuales del chip apilado. Los científicos fueron capaces de exhibir una performance de enfriamiento de hasta 180 W/cm2 por capa en una pila con una superficie de 4 cm2. Uno de los investigadores dijo que la performance de cooling representa una revolución significativa, y que sin ella, el apilado de dos o más capas con potencia de alta densidad sería imposible.

En los experimentos, los investigadores lograron hacer circular agua por un dispositivo de prueba de 1cm x 1cm, construido con una capa de enfriamiento entre las dos fuentes de calor. La capa de enfriamiento sólo tenía 100 micrones de altura (el doble del grosor de un cabello humano) y contaba con 10.000 interconexiones verticales por cm2.

Las interconexiones se encuentran selladas herméticamente para evitar que el agua cause cortocircuitos dentro del chip. Las capas individuales se construyeron usando métodos existentes de fabricación en 3D, los cuales crean agujeros para transmisión de datos entre capas contiguas. Cada interconexión posee una pared de silicio a su alrededor y una fina capa de óxido de silicio para aislar las conexiones eléctricas del agua. Una nueva técnica de soldadura de película delgada fue desarrollada por los investigadores para proveer la precisión y robustez necesaria para brindar contacto térmico para la película de enfriamiento.