Sommige wetten zijn gemaakt om gebroken te worden, en anderen zijn gemaakt om gevolgd te worden. Een team van IBM-onderzoekers in samenwerking met twee Zwitserse partners wil één wet in het bijzonder nog 15 jaar levend houden:de wet van Moore. De wet stelt dat het aantal transistors dat goedkoop op een geïntegreerde schakeling kan worden geplaatst, elke 18 maanden zal verdubbelen. Meer dan 50 jaar oud, deze wet is nog steeds van kracht, maar om het te verlengen tot 2020 zal een verandering nodig zijn van louter transistorschaal naar nieuwe verpakkingsarchitecturen zoals de zogenaamde 3D-integratie, de verticale integratie van chips.

Chips weer cool maken

Vorige week, IBM, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Zürich (ETH) ondertekenden een vierjarig samenwerkingsproject genaamd CMOSAIC om te begrijpen hoe de nieuwste chipkoelingstechnieken een 3D-chiparchitectuur kunnen ondersteunen. In tegenstelling tot de huidige processors, het CMOSAIC-project beschouwt een 3D-stack-architectuur van meerdere kernen met een interconnect-dichtheid van 100 tot 10, 000 verbindingen per vierkante millimeter. Onderzoekers geloven dat deze kleine verbindingen en het gebruik van haardunne, microkanalen voor vloeistofkoeling met een diameter van slechts 50 micron tussen de actieve chips zijn de ontbrekende schakels voor het bereiken van high-performance computing met toekomstige 3D-chipstacks.

"In de Verenigde Staten, datacenters verbruiken al twee procent van de beschikbare elektriciteit en het verbruik verdubbelt elke vijf jaar. In theorie, op dit tempo, een supercomputer in het jaar 2050 zal de volledige productie van het energienet van de Verenigde Staten vereisen, " zei prof. John R. Thome, hoogleraar warmte- en massaoverdracht bij EPFL en CMOSAIC projectcoördinator. 3D-chipstapels met tussenlaagkoeling leveren niet alleen hogere prestaties, maar belangrijker, systemen met een veel hoger rendement mogelijk maken, waardoor de situatie wordt vermeden dat supercomputers te veel energie verbruiken om betaalbaar te zijn.

3D-uitdagingen

Het CMOSAIC-team staat voor een aantal formidabele uitdagingen, maar de recente vooruitgang op alle fronten geeft het onderzoeksteam het vertrouwen om verder te gaan. Bijvoorbeeld, vooruitgang in de fabricage van doorgaande silicium via's heeft nieuwe wegen geopend voor array-interconnecties met hoge dichtheid tussen gestapelde processor en geheugenchips. Dergelijke 3D-geïntegreerde circuits zijn buitengewoon aantrekkelijk om de bandbreedteknelpunt tussen kern- en cachegeheugen te overwinnen, biedt de mogelijkheid om de CMOS-prestaties en efficiëntietrends met nog een decennium te verlengen.

Door een zeer groot systeem op een chip (SoC) in meerdere lagen te integreren, de gemiddelde afstand tussen systeemcomponenten wordt verkleind, wat zowel de efficiëntie als de prestaties zal verbeteren. Echter, de uitdaging om de warmte te verwijderen die wordt gegenereerd naarmate de chipvolumes kleiner en kleiner worden, is nu het belangrijkste probleem. Het algemene concept is contra-intuïtief:de hogere vermogensdichtheden die we kunnen toestaan, hoe hoger de efficiëntie van een toekomstig systeem.

Om de koelingsuitdaging op te lossen, het team maakt gebruik van de ervaring van IBM en ETH bij de ontwikkeling van Aquasar, een primeur, watergekoelde supercomputer.

gelijk aan Aquasar het team is van plan om microkanalen te ontwerpen met enkelfasige vloeistof- en tweefasige koelsystemen met behulp van nano-oppervlakken die koelvloeistoffen - inclusief water en milieuvriendelijke koelmiddelen - binnen een paar millimeter van de chip leiden om de warmte te absorberen, als een spons, en trek het weg. Zodra de vloeistof het circuit verlaat in de vorm van stoom, een condensor brengt het terug naar een vloeibare toestand, waar het vervolgens terug in de processor wordt gepompt, daarmee de cirkel rond.

"Zoals we zullen aantonen met ETH in het Aquasar-project, het gebruik van microkanalen die vloeibare koelmiddelen vervoeren, biedt een aanzienlijk voordeel bij het aanpakken van uitdagingen op het gebied van warmteafvoer, en dit moet leiden tot praktische 3D-systemen, " zei Bruno Michel, manager geavanceerde thermische verpakking, IBM Research - Zürich. "Water als koelmiddel heeft het vermogen om ongeveer 4, 000 keer efficiënter dan lucht, en zijn warmtetransporterende eigenschappen zijn ook veel beter." Koeling op chipniveau met een watertemperatuur van ongeveer 60°C is voldoende om de chip op bedrijfstemperaturen ver onder de maximaal toegestane 85°C te houden. De hoge invoertemperatuur van het koelmiddel resulteert in een nog hoogwaardiger warmte als output, wat in dit geval ongeveer 65°C zal zijn.