15 Moores Years:3D-chipstabling vil føre Moores Law forbi 2020

Nogle love er lavet for at blive brudt, og andre er lavet til at blive fulgt. Et team af IBM-forskere i samarbejde med to schweiziske partnere søger at holde især én lov i live i endnu 15 år:Moores lov. Loven siger, at antallet af transistorer, der kan placeres billigt på et integreret kredsløb, fordobles hver 18. måned. Mere end 50 år gammel, denne lov er stadig i kraft, men at forlænge det så længe som 2020 vil kræve en ændring fra blot transistorskalering til nye pakkearkitekturer såsom såkaldt 3D-integration, den vertikale integration af chips.

Gør chips kølige igen

Sidste uge, IBM, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) og det schweiziske føderale institut for teknologi Zürich (ETH) underskrev et fireårigt samarbejdsprojekt kaldet CMOSAIC for at forstå, hvordan de nyeste chipkøleteknikker kan understøtte en 3D-chiparkitektur. I modsætning til nuværende processorer, CMOSAIC-projektet overvejer en 3D stack-arkitektur af flere kerner med en sammenkoblingstæthed fra 100 til 10, 000 forbindelser pr. millimeter kvadrat. Forskere mener, at disse små forbindelser og brugen af ​​hår-tynde, væskekølende mikrokanaler, der kun måler 50 mikrometer i diameter mellem de aktive chips, er de manglende led til at opnå højtydende databehandling med fremtidige 3D-chipstakke.

"I USA, datacentre bruger allerede to procent af den tilgængelige strøm, og forbruget fordobles hvert femte år. I teorien, med denne hastighed, en supercomputer i år 2050 vil kræve hele produktionen af ​​USA's energinet, " sagde prof. John R. Thome, professor i varme- og masseoverførsel ved EPFL og CMOSAIC projektkoordinator. 3D-chipstakke med mellemlagskøling giver ikke kun højere ydeevne, men endnu vigtigere, tillade systemer med en meget højere effektivitet, derved undgås situationen, hvor supercomputere bruger for meget energi til at være overkommelige.

3D udfordringer

CMOSAIC-teamet står over for en række formidable udfordringer, men de seneste fremskridt på tværs af alle fronter giver forskerholdet tillid til at komme videre. For eksempel, fremskridt i fremstillingen af ​​gennem-silicium-vias har åbnet nye veje for array-sammenkoblinger med høj tæthedsområde mellem stablet processor og hukommelseschips. Sådanne 3D-integrerede kredsløb er ekstremt attraktive til at overvinde båndbreddeflaskehalsen mellem kerne- og cachehukommelse, tilbyder en mulighed for at forlænge CMOS ydeevne og effektivitetstendenser i endnu et årti.

Ved at integrere et meget stort system på en chip (SoC) i flere niveauer, den gennemsnitlige afstand mellem systemkomponenter reduceres, hvilket vil forbedre både effektivitet og ydeevne. Imidlertid, udfordringen med at fjerne den varme, der genereres, efterhånden som spånmængderne bliver mindre og mindre, er nu nøglespørgsmålet. Det overordnede koncept er kontraintuitivt:jo højere effekttætheder, vi kan tillade, jo højere effektivitet er et fremtidigt system.

For at løse køleudfordringen, teamet udnytter erfaringerne fra IBM og ETH i udviklingen af ​​Aquasar, en første af slagsen, vandkølet supercomputer.

Svarende til Aquasar, holdet planlægger at designe mikrokanaler med enfasede væske- og tofasede kølesystemer ved hjælp af nano-overflader, der rører kølemidler – inklusive vand og miljøvenlige kølemidler – inden for et par millimeter fra chippen for at absorbere varmen, som en svamp, og trække det væk. Når væsken forlader kredsløbet i form af damp, en kondensator returnerer den til en flydende tilstand, hvor det derefter pumpes tilbage i processoren, dermed fuldende cyklussen.

"Som vi vil demonstrere med ETH i Aquasar-projektet, Anvendelse af mikrokanaler, der transporterer flydende kølemidler, giver en betydelig fordel, når det gælder udfordringer med varmefjernelse, og dette skulle føre til praktiske 3D-systemer, sagde Bruno Michel, manager avanceret termisk emballage, IBM Research - Zürich. "Vand som kølemiddel har evnen til at opfange varme omkring 4, 000 gange mere effektivt end luft, og dens varmetransporterende egenskaber er også langt overlegne." Køling på spånniveau med en vandtemperatur på ca. 60°C er tilstrækkelig til at holde chippen ved driftstemperaturer et godt stykke under de maksimalt tilladte 85°C. Kølevæskens høje indgangstemperatur resulterer i en endnu højere kvalitet varme som output, hvilket i dette tilfælde vil være omkring 65°C.