Chip, too hot! Translated to Russian: Чип, слишком горячий!

👆Если вы хотите видеться чаще, не забудьте добавить в избранное🌟!

В течение длительного времени, благодаря повышению интеграции чипов и уменьшению размеров, функциональность и производительность чипов улучшились, однако с ними также увеличились энергопотребление и тепловыделение, что приводит к всё более серьёзным проблемам потребления электроэнергии и охлаждения.

These once largely "ignored" soft metrics have now become important considerations in chip design. The adverse effects of excessive heat should not be underestimated: "Эти когда-то в основном "игнорировавшиеся" мягкие показатели теперь стали важными факторами при проектировании микросхем. Негативное влияние чрезмерного тепла нельзя недооценивать:

Performance decrease: Excessive temperature can lead to a decrease in chip performance, and even cause malfunctions such as crashes or blue screens.
Translated to Russian:
Снижение производительности: Чрезмерная температура может привести к снижению производительности микросхемы, а также вызвать сбои, такие как вылет программы или синий экран.

Надежность снижается: высокая температура ускоряет старение электронных компонентов, что сокращает срок службы оборудования.

Потенциальная опасность: в экстремальных случаях перегрев может привести к пожарам и другим авариям.

Энергетический ресурс: избыточное потребление электроэнергии не только увеличивает операционные расходы, но также усугубляет энергетический кризис.

Не трудно заметить, что если не обеспечить своевременное и эффективное охлаждение, излишне высокая температура повлияет не только на производительность и стабильность микросхемы, но и представляет угрозу надежности всей электронной системы, сокращая ее срок службы.

Особенно в условиях продолжительного соблюдения закона Мура, спрос на вычислительные мощности на развивающихся рынках, таких как 5G, искусственный интеллект, автомобильная электроника, постоянно увеличивается, увеличивается интеграция чипов и потребление энергии.

Перед растущим вызовом охлаждения, а также стремлением к повышению вычислительной мощности, производительности и интеграции чипов, важно найти эффективное решение для проблемы охлаждения, при этом обеспечивая производительность чипа.

"Как охладить чип, который становится все "горячее"?"

В настоящее время самыми популярными в отрасли методами охлаждения являются применение воздушного охлаждения, технология жидкостного охлаждения, а также использование и инновации в области теплорассеивающих материалов.

В области материалов для тепловых интерфейсов в настоящее время в основном используются теплопроводные материалы для тепловых интерфейсов (TIM), металлические и керамические теплопроводные материалы.

Термоинтерфейсный материал (TIM): из-за наличия изготовительных допусков и шероховатости поверхности устройства между ними обычно имеются маленькие зазоры. Эти зазоры заполнены воздухом, который является плохим теплопроводником, с коэффициентом теплопроводности лишь 0.026 Вт/(м·К) при комнатной температуре, что приводит к значительному тепловому сопротивлению контакта. Поэтому термоинтерфейсные материалы (TIM) используются для заполнения этих зазоров, вытеснения воздуха, обеспечения более эффективного пути для теплопередачи, уменьшения теплового сопротивления интерфейса и, следовательно, повышения эффективности охлаждения.

Теплопроводящий интерфейсный материал (TIM) - это общее название материалов, используемых для нанесения между радиатором и тепловыделяющим устройством с целью снижения теплового сопротивления контакта между ними.

Схема теплового распределения для микросхемы TIM с высоким энергопотреблением в конечном устройстве ИИ.

Возьмем в качестве примера высокотемпературный чип в устройствах искусственного интеллекта. Обычно для охлаждения используется метод обращенной пайки, при котором тепло от чипа передается по пути "чип-TIM-пакет-TIM-радиатор" наружу.

Металлические и керамические материалы для теплопроводности: металлические материалы для теплопроводности (такие как медь, алюминий и др.) благодаря своим отличным теплопроводным свойствам часто используются для охлаждения микросхем в экстремальных условиях. Высокий коэффициент теплопроводности металлов позволяет им быстро передавать тепло от источника нагрева, что подходит для сценариев с высоким тепловыделением. Кроме того, металлические материалы обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к тепловым ударам, что широко используется в искусственном интеллекте, где требуется эффективное охлаждение в агрессивных условиях.

Керамические теплопроводные материалы (такие как нитрид алюминия, нитрид кремния) не только обладают хорошей теплопроводностью, но и обладают электрической изоляцией, что делает их идеальным выбором для многих упаковок чипов и высоковольтных приложений искусственного интеллекта. Теплопроводность керамических материалов находится между металлическими и традиционными полимерными материалами, и их термическая стабильность позволяет использовать их в высоких температурах или в коррозионной среде. Например, коэффициент теплопроводности нитрида алюминия достигает 170-180 Вт/(м·K) и широко используется в упаковке чипов искусственного интеллекта в экстремальных условиях.

Технология охлаждения включает в себя различные методы, такие как воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, тепловые трубки, тепловые пластины с равномерным распределением тепла (VC), радиаторы и другие.

Воздушное охлаждение: в настоящее время наиболее распространенным способом охлаждения чипов является воздушное охлаждение, которое заключается в проведении холодного воздуха через радиатор или непосредственное направление потока воздуха на поверхность чипа для отвода нагретого воздуха.

Преимущества воздушного охлаждения включают в себя простоту системного дизайна, низкие затраты, удобство установки и широкое применение, а также возможность комбинировать с тепловыми трубками/3DVC/тепловыми трубами. Однако эффективность охлаждения воздухом ограничена низкой теплопроводностью воздуха, что ограничивает эффект при работе с высокими нагрузками и плотными вычислениями на чипах искусственного интеллекта.

With the continuous increase in chip power, after exceeding 300W, the use of traditional heat sinks for cooling becomes less effective. Liquid cooling technology is considered to be the ideal cooling solution for the AI era.

При постоянном увеличении мощности чипа, после превышения 300 Вт использование традиционного радиатора для охлаждения становится менее эффективным. Жидкостное охлаждение считается идеальным вариантом охлаждения для эпохи искусственного интеллекта.

Жидкостное охлаждение: технология жидкостного охлаждения использует жидкость (такую как вода или охлаждающая жидкость) в качестве теплоносителя, благодаря ее высокой теплоемкости и теплопроводности, чтобы быстро отводить тепло, выделяемое чипом. Система жидкостного охлаждения обычно состоит из трубопровода охлаждающей жидкости, радиатора или теплового излучателя, насоса и радиатора, который отводит тепло, поглощенное охлаждающей жидкостью, через воздушное или водяное охлаждение.

Жидкостное охлаждение обладает более высокой эффективностью охлаждения по сравнению с воздушным охлаждением, поэтому часто используется в центрах обработки данных и вычислительных системах высокой производительности. Оно более подходит для поддержки непрерывной работы высокопроизводительных ИИ чипов по сравнению с воздушным охлаждением. Однако система жидкостного охлаждения сложна, дорога, требует высоких затрат на монтаж и обслуживание, а также занимает много физического пространства. Кроме того, если система протечет, это может повлечь повреждение оборудования.

Данные исследования TrendForce показывают, что платформа Nvidia Blackwell ожидается к выпуску в четвертом квартале, и проникновение жидкостного охлаждающего решения заметно растет, с 10% в этом году до более 20% к 2025 году. Повышение глобального осознания экологической, социальной и управленческой ответственности, а также ускорение внедрения CSP в строительстве AI-серверов способствуют переходу от воздушного охлаждения к жидкостному.

Тепловая трубка: технология тепловых трубок обеспечивает эффективную передачу тепла на основе принципа изменения агрегатного состояния. Внутри тепловой трубки находится теплопроводная жидкость, которая вблизи теплового источника поглощает тепло и испаряется, превращаясь в газ. Газ перемещается по тепловой трубке к холодному концу, где отдает тепло и конденсируется обратно в жидкость. Жидкость затем циркулирует обратно к тепловому источнику через капиллярные силы или гравитацию. Этот процесс обеспечивает быструю передачу тепла через тепловую трубку.

Принцип работы тепловой трубы.

Тепловые трубы обладают очень высокой теплопроводностью, при этом они компактны и легки, что делает их подходящими для применения в ограниченном пространстве. Хотя у тепловых труб высокая теплопроводность, их способность к отводу тепла ограничена количеством и конструкцией труб, поэтому они главным образом применяются в средней мощности или ограниченном пространстве, их сложно применять в отдельности на ультравысокопроизводительных чипах.

VC теплопластина: На основе структуры тепловой трубки разрабатываются двумерные технологии равномерного охлаждения (VC теплопластина) и трехмерные однопластинчатые технологии равномерного охлаждения (3D VC теплопластина). Принцип работы теплопластины аналогичен принципу работы тепловой трубки: они оба заставляют охлаждающую жидкость поглотить энергию источника тепла, затем, через процесс испарения (поглощение тепла) и конденсации (выделение тепла), распределяют тепло и направляют его наружу.

Плоская радиаторная панель может быть спроектирована в любой форме, чтобы соответствовать различной конфигурации источников тепла, помогая устройству в отводе тепла в двухмерном или даже трехмерном пространстве. Увеличение площади контакта обеспечивает равномерное распределение тепла, улучшая эффективность теплоотдачи на 20-30% по сравнению с тепловыми трубками. Компактный дизайн также облегчает установку в малогабаритных устройствах.

Принципиальные схемы тепловых труб и плоских равномерно нагреваемых пластин (источник: Джонс).

Основным ограничением VC плиты является ее относительно высокая стоимость производства, особенно в проектировании и изготовлении сложных трехмерных структур. Кроме того, эффективность охлаждения VC плиты при очень высокой плотности мощности может быть ограничена, что затрудняет ее применение в отдельных сценариях с высокой тепловой нагрузкой, обычно требуется комбинировать с другими технологиями охлаждения.

Радиатор: в проектировании микросхем и изготовлении электронного оборудования радиатор играет крайне важную роль. Основная функция радиатора заключается в эффективной передаче и излучении тепла, которое образуется в процессе работы микросхемы, для быстрого его распределения в окружающую среду, чтобы предотвратить перегрев микросхемы, обеспечивая стабильность работы оборудования и его производительность.

Теплоотвод осуществляется путем плотного контакта радиатора с чипом, который отводит тепло, выделяемое чипом, на себя. Большинство радиаторов изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий или медь, обладающих отличной теплопроводностью и способностью быстро поглощать тепло чипа. Для увеличения радиатора обычно применяют множество пластин (рёбер), которые значительно увеличивают площадь радиатора, повышая тем самым его контактную площадь с окружающим воздухом и эффективность теплоотвода.

Радиатор использует конвекцию воздуха для отвода тепла. Естественная конвекция и принудительная конвекция - два основных способа охлаждения. В некоторых высокопроизводительных приложениях радиатор также может использоваться с теплопроводными интерфейсными материалами (TIM), чтобы обеспечить более быструю передачу тепла к радиатору.

Чтобы удовлетворить потребности различных приложений, дизайн радиаторов постоянно развивается и совершенствуется. В последние годы технологии жидкостного охлаждения и радиаторы с равномерно распределяющими пластинами начали широко применяться в высокотехнологичных областях. Жидкостные радиаторы, используя циркуляцию жидкости-охладителя, более эффективно удаляют тепло и подходят для сценариев, требующих очень высокой теплоотдачи. А равномерно распределяющие пластины, как вспомогательные компоненты радиаторов, за счет равномерного распределения тепла по всей поверхности радиатора, дополнительно повышают эффективность теплоотдачи.

С учетом реальной ситуации можно сказать, что традиционные методы охлаждения воздухом и жидкостью постепенно перестают удовлетворять потребности в охлаждении современных высокопроизводительных микросхем. Поэтому оптимизация технологии охлаждения микросхем и инновационное изменение существующих методов охлаждения являются крайне важными для обеспечения стабильной работы электронных микросхем.

В период нового развития настоятельно требуется продвижение исследований и развитие новых эффективных технологий охлаждения электронных микросхем.

Чип охлаждается, развиваются инновационные технологии.

Помимо указанных выше технологий охлаждения и теплоотвода микросхем, отрасль активно исследует новые технологии и уже добилась значительных успехов.

Инновационный охладитель чипов — тепловая труба с замкнутым контуром (LHP).

Recently, according to foreign media reports, researchers have drawn inspiration from nature to design an innovative chip cooler, which may be applied in artificial intelligence data centers in the future.

На днях, по данным иностранных СМИ, исследователи нашли вдохновение в природе для разработки новаторской системы охлаждения микросхемы, которая в будущем может использоваться в центрах обработки данных искусственного интеллекта.

The inspiration for the biomimetic ceramic core of Loop Heat Pipe (LHP) comes from leaf stomata.
Translation: Вдохновение для биомиметического керамического ядра тепловой трубки с замкнутым контуром (LHP) берется из устьиц листьев.

Источник изображения: Университет науки и технологий Китая

В этих многообещающих решениях исследователи в настоящее время занимаются бионикой - наука, которая черпает вдохновение из природы - в поисках инновационных технологий, которые в конечном итоге могут радикально изменить данные центров искусственного интеллекта.

Исследовательская группа профессора Йе Хонга от Университета науки и технологий Китая разработала революционный биоаналоговый керамический ядерный элемент для использования в тепловых трубах с замкнутым контуром (LHP), вдохновленный естественным процессом транспирации листьев. Их исследование опубликовано в журнале "Langmuir" и решает одно ключевое ограничение традиционных LHP, которое заключается в использовании ядра с однородными порами, что приводит к уменьшению эффективности при высоком тепловом потоке из-за блокирования пара и увеличения теплового сопротивления.

The newly developed biomimetic heat sink features an asymmetric porous structure. By overcoming these challenges, it has optimized heat transfer, providing a more effective cooling solution for high-power chips.

Новоразработанный биомиметический тепловой радиатор имеет асимметричную пористую структуру. Победив эти вызовы, он оптимизировал теплоотдачу, предоставляя более эффективное решение для охлаждения высокомощных микросхем.

Этот дизайн имитирует стомы (отверстия) в листьях и направленные каналы служат паровым путям, что существенно снижает сопротивление передачи пара и улучшает теплоотвод. Такая структура позволяет достичь более высокого критического теплового потока, что обеспечивает более эффективное охлаждение высокопроизводительных чипов. Эти твердотельные светодиоды используют керамику вместо металла, что также повышает их устойчивость к коррозии и термическую стабильность, что критично для долгосрочной производительности передовой электроники.

Процесс производства использует технологию формования методом преобразования фаз, которая обычно применяется для производства пористых керамических мембран. Этот инновационный метод не только позволяет создать необходимую многошкальную пористую структуру за один шаг, но также гарантирует стабильное и однородное качество продукции.

Первичное тестирование био-ядра в LHP системе показало хорошие результаты. Оптимизируя баланс капиллярных сил и гидравлического сопротивления, био-ядро эффективно транспортирует рабочую жидкость и повышает тепловую производительность системы. Этот прогресс может быть расширен на другие области, помимо вычислительного оборудования, и применен в аэрокосмической промышленности, микроэлектронике и энергетике.

Этот новаторский метод может переопределить стратегию управления теплом в центрах обработки данных, обеспечивая энергией искусственный интеллект, и открывая путь для более эффективных и устойчивых решений, вдохновленных природой. Исследователи надеются, что постоянное развитие и модификация этих биоинспирированных структур помогут преодолеть текущие проблемы и удовлетворить потребности следующего поколения электроники.

технология безводного двухфазного охлаждения, прямо воздействующая на микросхему

Для борьбы с этими вызовами компания ZutaCore разработала технологию жидкостного охлаждения HyperCool, которая напрямую воздействует на чип, и эта технология уже доказала свою способность обеспечивать охлаждение процессоров мощностью более 1500 Вт; в настоящее время каждая стойка способна обеспечить охлаждение на уровне 100 кВт.

Генеральный директор компании ZutaCore, Эрез Фрайбах, отметил: "Безводная технология жидкостного охлаждения, прямо воздействующая на чип, удовлетворяет специфические потребности охлаждения нового поколения GPU, особенно подходит для мощных GPU мощностью 1500 Вт, и увеличивает плотность обработки стойки на 300%. Эта технология не только предотвращает риск утечки воды и дорогостоящих ремонтных работ, характерных для водяного охлаждения, но и легко увеличивает его охлаждающую способность без дополнительных инвестиций в обновление существующей инфраструктуры, такой как электропитание и система охлаждения. Это имеет революционное значение для будущего развития искусственного интеллекта (AI) и высокопроизводительных вычислений (HPC)."

Компания ZutaCore использует революционный закрытый цикл в своей системе HyperCool, которая эффективно удаляет тепло, выделяемое процессором сервера, даже в условиях низкого давления. Эта система подходит не только для новых центров обработки данных, но и для модернизации существующих центров, что позволяет увеличить вычислительную мощность в 10 раз и сократить затраты на 50%, обеспечивая 100% рециркуляции тепла, а также снижение выбросов углекислого газа, что делает возможным экологически устойчивую и эффективную работу центров обработки данных.

В настоящее время многие известные производители серверов, включая Dell Technologies, Asus, Wiwynn и Supermicro, получили сертификат совместимости с системой HyperCool. Это свидетельствует о формировании пошагово развивающейся экосистемы серверов с поддержкой HyperCool.

New TSMC patent: Solving the thermal management challenge of semiconductor cores.

Translated to Russian:
Новый патент TSMC: Решение проблемы управления теплом полупроводниковых ядер.

В условиях глобальной конкуренции и технологических изменений в полупроводниковой индустрии, TSMC вновь стал лидером, подав недавно заявку на новый патент под названием "Полупроводниковое устройство и метод его формирования". Основным инновационным моментом этого патента является глубокое рассмотрение управления тепловым режимом полупроводниковых трубок, что указывает на дальнейшее совершенствование технологий упаковки полупроводников. Этот шаг, безусловно, демонстрирует нашу уверенность в том, что TSMC нацелен на создание более эффективных устройств и решение проблем отрасли.

Согласно реферату патента, полупроводниковые упаковочные компоненты TSMC используют передовую технологию тепловых модулей. Основной концепцией является подключение ИС-чипов, размещенных на подложке, к тепловому модулю между верхней и нижней платой через тепловые трубы. Такая конструкция не только оптимизирует путь для отвода тепла, но и позволяет эффективно распределять тепло с верхней и нижней плат, обеспечивая работу полупроводниковых устройств при низких температурах даже при высокой нагрузке. Кроме того, использование жидкостного охладительного блока, упомянутого в патенте, обеспечивает более эффективное охлаждение для справки с высокой плотностью мощности устройств.

TSMC launching this patent at this time is not only a technological breakthrough but also a market strategy deployment. As we all know, the semiconductor industry is undergoing unprecedented competition, especially driven by cutting-edge technologies such as AI, big data, and 5G, the demand for high-performance chips is increasing day by day. Making a breakthrough in thermal management will undoubtedly give TSMC more advantages in future market competition.

Выпуск этого патента также может быть рассмотрен как косвенное давление на конкурентов. В современной рыночной среде создание технологических барьеров особенно важно, и TSMC стремится занять высокую позицию в этом ключевом области управления теплом путем постоянного инновационного развития. В отрасли широко считается, что успешная реализация этой технологии может стимулировать других производителей ускорить темпы исследований и, таким образом, дальше зарядить технологический прогресс в целом отрасли.

Huawei collaborates with Xiamen University to innovate diamond thermal management technology.

Translated to Russian:
Huawei сотрудничает с Университетом Сямэн для инноваций в области технологии управления теплом алмаза.

Xiamen University and Huawei have made significant progress in this field, developing an innovative thermal management technology based on diamond. This technology integrates diamond directly into chips and glass through heterogeneous integration, achieving a significant improvement in heat dissipation performance. This research not only demonstrates the huge potential of diamond as a heat spreader but also provides a new solution for heat dissipation technology in future high-performance electronic packaging.

Хунанский Университет и компания Huawei достигли важных успехов в этой области, разработав инновационную технологию теплового управления на основе алмазов. Эта технология путем гетерогенной интеграции напрямую встраивает алмаз в микросхемы и стекло, обеспечивая значительное улучшение производительности теплорассеивания. Эти исследования не только демонстрируют огромный потенциал алмазов в качестве распространителя тепла, но также предоставляют новое решение для технологии теплорассеивания в будущем высокопроизводительном электронном упаковочном оборудовании.

Алмаз благодаря своему очень высокому коэффициенту теплопроводности во всех направлениях (приблизительно 1500 Вт/м·K) стал идеальным материалом для диффузии тепла. За последние несколько десятилетий ученые пытались использовать алмаз для управления теплопроводностью в электронных устройствах различными способами. Например, это можно делать путем прямого выращивания многозернистого алмаза на полупроводнике с помощью химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ), или прямым соединением алмаза с полупроводником при высоких температурах и давлениях. Хотя эти методы показали определенные результаты, ограничения их применения в современной упаковке микросхем заключаются в слишком высокой температуре процесса (обычно более 400℃) или введении большого теплового сопротивления.

Для преодоления этого вызова Цзямэньский университет и компания Huawei предложили технологию низкотемпературного соединения путем рекристаллизации нанослойного Cu/Au, соединяя алмаз с кремниевой пластинкой и интегрируя их в стекло, образуя гетерогенную интегрированную упаковку "алмаз-чип-стекло". Эта новая упаковочная структура, сохраняя высокую производительность охлаждения, значительно снижает тепловое сопротивление интерфейса, повышая тем самым эффективность охлаждения упаковки.

Исследовательская группа также сравнила теплоотводные характеристики алмазного интегрального упаковочного материала с существующими передовыми теплоотводными технологиями. Результаты показали, что теплоотводные свойства алмазного интегрального упаковочного материала превосходят многие существующие технологии. Например, при высокой тепловой мощности технология наносеребряного спекания обеспечивает снижение температуры на 14,1 °С, в то время как температура снижается лишь на 5,2 °С при применении технологии AuSn припоя. Таким образом, алмазное интегральное упаковывание в условиях одинаковой нагрузки демонстрирует более значительное снижение температуры, проявляя более выдающиеся теплоотводные характеристики.

По сравнению с упаковкой без алмаза, упаковка с алмазом при различных условиях высокой тепловой мощности показывает уменьшение максимальной температуры чипа примерно на 24.1℃ и снижение теплового сопротивления на 28.5%. Этот результат указывает на значительное улучшение теплорассеивающих свойств упаковки при добавлении алмаза.

Посредством эффективного снижения теплового сопротивления эта технология предоставляет совершенно новые решения для управления теплом в современных электронных устройствах, особенно в области упаковки высокой мощности и производительности микросхем. В будущем, эта технология, вероятно, будет дополнительно расширяться и интегрироваться в другие эффективные устройства для охлаждения, такие как тепловые электрические устройства, микроканальные системы охлаждения и паровые камеры охлаждения.

В общем, эти исследования не только способствовали развитию использования алмазов в тепловом управлении, но и предоставили важную техническую поддержку для дизайна охлаждения для будущих высокопроизводительных электронных устройств. Применение данной технологии низкотемпературного соединения в реальных корпусах микросхем является важным шагом к решению проблемы теплового управления гетероструктурных интегральных систем.

Первый в мире 1 мм активный радиатор "ядро" от xMEMS достиг важного прорыва.

В августе 2024 года лаборатория xMEMS представила высокоэффективную технологию охлаждения под названием "Fan-on-Chip" и выпустила новинку в индустрии - чип xMEMS XMC-2400 µCooling, первый в мире активный микросхемный чип для воздушного охлаждения на основе кремния толщиной 1 мм, созданный для ультрапортативных устройств и решений искусственного интеллекта следующего поколения.

Перед появлением XMC-2400 не существовало активного охлаждения, и данная технология впоследствии может принести значительные изменения в устройства карманного размера, такие как смартфоны и планшетные компьютеры.

Размеры XMC-2400 составляют всего 9,26 x 7,6 x 1,08 мм, вес менее 150 мг, на 96% меньше и на 96% легче чем альтернативные решения без активного охлаждения на основе кремния. Преимущества чипа XMC-2400 µCooling заключаются в эффективном охлаждении в условиях очень компактного дизайна, что позволяет успешно решать проблемы перегрева в устройствах малого размера.

Один чип XMC-2400 может перемещать до 39 кубических сантиметров воздуха в секунду при обратном давлении 1000 Па. Это полностью кремниевое решение обеспечивает надежность полупроводников, однородность компонентов, высокую стойкость, высокую устойчивость к ударам и имеет уровень защиты IP58 от пыли и влаги.

По информации, xMEMS планирует предоставить клиентам образцы XMC-2400 в первом квартале 2025 года с ожидаемым применением в реальных устройствах в 2026 году.

Пурдьюский университет Вэй Тэвэй: технология "двухфазная струя соударения на чиповом уровне" увеличит эффективность охлаждения в сто раз.

Группа исследователей под руководством профессора Вей Тэй-вэя из отделения механической инженерии университета Пердью разрабатывает инновационный подход "Прямое двуфазное импульсное струйное охлаждение на уровне микросхем", способствующий значительному повышению общей теплопроизводительности центров обработки данных, одновременно снижая потребляемую мощность насосных систем и предоставляя новую стратегию для охлаждения центров обработки данных.

Как снизить тепловое сопротивление – самая сложная задача в области технологии охлаждения чипов, стоящая перед отраслью в настоящее время.

В настоящее время традиционная тепловая сопротивление охлаждения чипов может быть снижена до примерно 0,3K/W, а с использованием технологии охлаждения чипов методом двухфазного струйного охлаждения тепловое сопротивление может быть уменьшено до 0,0035 К/Вт, снизившись на два порядка. Такое снижение температуры позволяет снизить температуру чипа до очень низкого уровня, и по сравнению с традиционной техникой охлаждения, эффективность охлаждения увеличивается в 50-100 раз.

Принцип двухфазного импульсного струйного прямого охлаждения на чипе (источник: Вэй Ти Вэй)

С точки зрения технического принципа, технология "двухфазного ударного струйного охлаждения" заключается в том, что тонкие каналы, заполненные жидкостью, прямо строятся внутри упаковки микрочипа. Когда чип нагревается, жидкость нагревается до кипения, и образующийся пар уносит тепло, затем пар конденсируется и снова циркулирует, начиная процесс охлаждения заново.

魏体伟表示, "The cooling technology we have developed is not just a simple hole piercing; it involves multi-layer micro-nano processing for designing intricate microstructures, forming a highly complex multi-layer gas-liquid transport distribution system. This design not only enhances efficient cooling but also reduces liquid flow resistance. In fact, it is a very complex interdisciplinary engineering involving collaborative design in areas such as chips, electricity, heat, and mechanical structures."

Обычно внешний слой упаковки ЦПУ представляет собой металлическую крышку (Lid), на которую нанесен теплопроводящий материал, который затем соединяется с радиатором. Между металлической крышкой и микросхемой также заполняется теплопроводящий материал. Однако из-за многократных слоев теплопроводящих материалов и сложных контактов на тепловом интерфейсе общее тепловое сопротивление чипа остается очень высоким, что не позволяет обеспечить достаточное охлаждение для будущих потребностей по охлаждению высокоплотных данных в центрах обработки.

"Чем ближе жидкостное охлаждение к процессору, тем более будет снижаться общий тепловой сопротивление от температуры процессора до жидкости, и тем самым улучшаться эффективность охлаждения", - отметил Вей Ти Вэй. "Наша система охлаждения пропускает два тепловых интерфейсных материала и полностью выставляет заднюю часть чипа, позволяя жидкостному потоку напрямую атаковать заднюю часть чипа и действительно реализовывать охлаждение на уровне чипа. Кроме того, благодаря оптимизации системы сопротивления потоку, мы также снизили энергопотребление системы охлаждения. Другими словами, мы позволили охладителю непосредственно циркулировать внутри упаковки чипа для охлаждения."

Кроме того, уникальность этого исследовательского проекта заключается в оптимизации охлаждения на различных уровнях и масштабах, требуя внимания не только к охлаждающему дизайну полупроводниковых микросхем и их упаковки, но также к охлаждающим компонентам, стойкам, системам, а также размещению самого центра обработки данных. Все эти аспекты, начиная от микроуровня до макроуровня, должны быть тесно взаимосвязаны для достижения эффективного охлаждения и энергосбережения.

Вэй Тай Вэй подчеркивает, что помимо технологии "охлаждения двухфазным инжекционным струей на уровне микросхемы", мы также параллельно продвигаем разработку нескольких технологий охлаждения чипов. Среди них мы работаем над созданием материала анизотропного теплового интерфейса с очень высокой теплопроводностью. Проще говоря, это интеграция нового теплового интерфейсного материала, разработанного нами, на внешнюю металлическую пластину кожуха чипа, и совместно с эффективной жидкостной системой охлаждения также обеспечивает более эффективное охлаждение. Такое проектирование позволяет избежать возможных рисков надежности, связанных с прямым контактом охлаждающей жидкости с кремниевой задней поверхностью чипа."

Meanwhile, the Weitiwei team is currently in talks with companies such as Intel and Meta to discuss and explore a more flexible, detachable package-level liquid cooling integration solution.

与此同时，魏体伟团队目前正在与英特尔、Meta 等公司进行洽谈，商讨和探讨一种更为灵活、可拆卸的封装级液态冷却集成方案。

Новые достижения в области адаптивного микротечения охлаждения чипов

Усиление рассеивания тепла за счет микроразмерных каналов, которые направляют охлаждающий рабочий флюид, и быстрый перенос тепла с чипа с помощью принудительной конвекции является новым эффективным способом охлаждения. Для обеспечения надежности обычно определяют постоянную мощность охлаждения на основе крайне высокого энергопотребления чипа. Однако работа при условиях экстремальной мощности занимает менее 10% времени, что приводит к неэффективному использованию и расточительству тепловых ресурсов.

Поэтому, исходя из потребления энергии высокопроизводительным чипом, разработка метода адаптивной регулировки порога тепловыделения имеет важное значение для повышения эффективности системы.

This April, a team of researchers led by Jiao Binbin from the Institute of Microelectronics at the Chinese Academy of Sciences made new advancements in the field of chip adaptive microflow cooling.

This study proposes an adaptive dynamic threshold cooling method to replace the traditional constant threshold cooling method. When the chip operates under extremely high power conditions, this method uses biomimetic sweating behavior to provide additional cooling capacity by sacrificing the cooling medium. Silicon-based microchannel cold plates prepared using this method achieve a fixed threshold by forced convection through microchannels and a dynamic threshold through adaptive evaporation. By using a memory alloy temperature-sensitive valve structure to control the opening and closing of "pores" and regulate the cooling medium's "sweating" in the evaporation zone, it achieves dynamic control of the cooling power threshold.

Диаграмма, иллюстрирующая охлаждение через потоотделения по принципу биомимикрии.

По сравнению с традиционной структурой микрораспределения тепла, этот холодильный блок может удовлетворить требования к крайне высокой тепловыделению, а также эффективно снизить расход тепловых ресурсов при обычной мощности, причем всё энергия, необходимая для адаптивного регулирования, поступает из самопроизводимого тепла чипа без дополнительного энергопотребления. Опыты показывают, что при экстремальной рабочей мощности чипа адаптивный испаритель может увеличить теплоотдачу на 80% и снизить температуру на 22,3 ℃. После дальнейшей оптимизации работы жидкого испарения, контроля стока и регулирования фазового перехода температурная плотность мощности чипа при номинальной температуре работы может быть увеличена на 208 W/cm2.

Этот научный результат под названием "n adaptivный метод термического управления через бионические потовые поры на электронных устройствах " был опубликован в журнале "Applied Thermal Engineering".

Технология фазового охлаждения, непрерывное инновационное развитие.

With the continuous improvement in chip power density, traditional cooling methods (such as air cooling and liquid cooling) appear to be inadequate in addressing these complex thermal management needs. Phase-change cooling technology is becoming a promising cooling solution due to its efficient heat management capability.

Translation:
С увеличением плотности мощности чипов традиционные методы охлаждения (такие как воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение) кажутся недостаточными для решения этих сложных задач по тепловому управлению. Технология фазового охлаждения становится многообещающим вариантом охлаждения из-за своей эффективной способности управления теплом.

Phase change cooling technology is especially suitable for heat dissipation management of high-power chips, especially in applications with high power density and stringent heat dissipation requirements. It has been validated in various advanced areas of high-power chip cooling.

Фазовая технология охлаждения особенно подходит для управления тепловыделением высокомощных микросхем, особенно в приложениях с высокой плотностью мощности и строгими требованиями к теплоотводу. Это подтверждено в различных передовых областях охлаждения высокомощных микросхем.

Например, компания Samsung Electronics использует материалы с фазовым переходом на основе парафина в конструкции системы охлаждения их высокопроизводительных чипов. Парафин, как типичный органический материал с фазовым переходом, обладает низкой температурой плавления и высокой скрытой теплотой существуют, что позволяет ему эффективно поглощать тепло в диапазоне 40-60°C. В конкретном применении Samsung Electronics оптимизирует структуру упаковки чипа, интегрируя материал на основе парафина напрямую в упаковку чипа, обеспечивая тесный контакт с источником тепла чипа.

温度范围可能会根据材料不同而有所变化，以下是一些相变材料的温度区间示例：

1. 水的相变温度为0°C（结冰）和100°C（沸腾）。
2. 铁的相变温度为约1538°C（熔点）。
3. 硅的相变温度为约1414°C（熔点）。

Этот метод упаковки использует не только высокие теплоёмкость свойства парафина, но и благодаря точной технологии упаковки обеспечивает эффективную передачу тепла к материалу с изменением фазы, что позволяет поддерживать стабильную температуру во время работы микросхемы под высокой нагрузкой. Исследования показывают, что такой дизайн снижает пиковую температуру микросхемы примерно на 15%, значительно улучшая тепловую стабильность и срок службы микросхемы.

Система охлаждения с фазовым переходом через микроканалы: Наночастицы, усиливающие ФПЧ: Исследовательская группа Массачусетского технологического института (MIT) разработала передовую систему охлаждения, сочетающую микроканалы и фазовые переходные материалы, усиленные наночастицами, специально предназначенную для отвода тепла от чипов с высокой плотностью мощности. В рамках этой системы исследователи добавили к фазовому переходному материалу наночастицы высокой теплопроводности, такие как медные или алюминиевые наночастицы, для значительного увеличения теплопроводности фазового переходного материала. Этот метод позволяет не только повысить теплопроводность всего фазового переходного материала за счет наночастиц, но и ускорить процесс фазового перехода, что делает эффект охлаждения более заметным.

In addition, the research team has designed a microchannel structure that enables phase-change materials to flow rapidly within the microchannels, further accelerating heat conduction and diffusion. This design allows the chip to maintain a stable temperature at a lower level during high-power operation, while significantly reducing heat accumulation. Experimental results show that this system can decrease chip temperature by over 20°C when handling a power density of 200W per square centimeter, far exceeding traditional cooling methods.

На данную тему можно предложить следующий перевод: Кроме того, исследовательская группа разработала микроканальную структуру, которая позволяет фазовым материалам быстро двигаться внутри микроканалов, что дальше ускоряет теплопроводность и диффузию. Это конструкция позволяет чипу поддерживать стабильную температуру на низком уровне во время работы на высокой мощности, одновременно значительно снижая накопление тепла. Экспериментальные результаты показывают, что этот система может снизить температуру чипа на более чем 20°C при обработке плотности мощности 200 Вт на каждый квадратный сантиметр, что значительно превосходит традиционные методы охлаждения.

Циркуляционная система охлаждения и долгосрочная стабильность: Металлы с высокой теплопроводностью PCM от Токийского университета: Исследователи из Токийского университета разработали циркуляционную систему охлаждения с использованием фазового перехода, применяемую в высокоэнергетических устройствах, требующих длительной стабильной работы, таких как центры обработки данных и суперкомпьютеры. Эта система использует новый тип металлического материала с высокой теплопроводностью, такой как серебряный сплав или индиевый сплав, которые обладают высокой удельной теплотой плавления, отличной теплопроводностью и стабильной температурой фазового перехода.

The core of this cooling system is the repeated use of phase change materials: when the phase change material absorbs heat and undergoes a phase change, it is moved out of the heat source area through the liquid cooling system. After it solidifies again in the cooler, it circulates back to the heat source area for heat dissipation. By precisely controlling the flow and phase change process of the phase change material, it achieves continuous and stable temperature control of the chip. Long-term tests have shown that during one year of uninterrupted operation, the chip temperature fluctuates within ±2°C, and there is no significant performance degradation of the phase change material. This efficient and stable cooling solution has been applied and validated in several supercomputer projects in Japan.

В целом технология фазового перехода в охлаждении высокомощных микросхем проявляет различные уникальные преимущества, такие как эффективное тепловое управление, пассивное охлаждение, энергоэффективность, гибкость дизайна и использование пространства.

With the maturity of phase change cooling technology, standardization and modular design will drive its widespread application in various industries such as data centers, 5G base stations, consumer electronics, etc. Standardization efforts across industries will help promote the adoption of phase change cooling technology and reduce costs.

Со взрослением технологии охлаждения фазового перехода, стандартизация и модульный дизайн стимулируют ее широкое применение в различных отраслях, таких как центры обработки данных, базовые станции 5G, потребительская электроника и т. д. Стандартизация усилий в различных отраслях поможет содействовать внедрению технологии охлаждения фазового перехода и снизит затраты.

Несмотря на вызовы, благодаря постоянному технологическому инновационному прогрессу и исследованиям, эта технология обязательно проявит мощный потенциал и ценность во многих высокотехнологичных приложениях. С развитием науки технология фазового охлаждения станет важной составляющей управления теплом в электронных устройствах будущего, обеспечивая надежную техническую поддержку для создания более эффективных и надежных электронных устройств.

SK Hynix: HBM MR-MUF Thermal Control Technology

Translated to Russian: SK Hynix: Тепловая технология управления HBM MR-MUF

В настоящее время ведущие продукты памяти быстро развиваются, чтобы удовлетворить высокие требования в эпоху искусственного интеллекта. Однако эти достижения также сталкиваются с одним возможным вызовом, который может затруднить развитие продуктов следующего поколения - это высокая тепловая нагрузка.

Для решения этой проблемы SK Hynix добился безпрецедентного прорыва, разработав новую инновационную технологию упаковки под названием Массовое Повторное Плавление-Литое Заполнение (MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill), которая может значительно улучшить теплопроводность чипов. С 2019 года технология MR-MUF применяется в революционном продукте SK Hynix HBM2, что помогло компании выделиться на рынке конкуренции.

Как единственная компания, использующая технологию MR-MUF, SK Hynix, чьи HBM-продукты демонстрируют отличную теплоотдачу, заслуженно стала лидером рынка HBM.

До появления второго поколения продуктов HBM - HBM2, продукция HBM от SK Hynix всегда использовала технологию термокомпрессионной некондуктивной пленки (TC-NCF) как стандарт отрасли. Однако с развитием продуктов HBM требуется более тонкий чип для размещения большего количества слоев чипов, что требует соответствующего управления теплом и давлением в упаковке.

SK Hynix, while developing the third generation HBM product - HBM2E, made thermal control the main focus of improvement. In 2019, they introduced a new packaging technology called MR-MUF, which completely changed the future of the HBM market.

SK Хайникс при разработке третьего поколения продукта HBM - HBM2E, сделала контроль тепла основным фокусом улучшения. В 2019 году они представили новую технологию упаковки под названием MR-MUF, что полностью изменило будущее рынка HBM.

Структурные отличия в теплопроводности между технологией TC-NCF и технологией MR-MUF.

Технология MR-MUF позволяет одновременно нагревать и обеспечивать взаимосвязь всех вертикально скомпонованных чипов в продуктах HBM, что делает ее более эффективной по сравнению с технологией TC-NCF, которая используется для заполнения тонких пленок после склеивания чипов. Более того, по сравнению с технологией TC-NCF, технология MR-MUF увеличивает количество тепловых виртуальных выступов для эффективного охлаждения в четыре раза.

MR-MUF technology has another important feature, which involves the use of a protective material called Epoxy Molding Compound (EMC) to fill the gaps between the chips. EMC is a thermosetting polymer with excellent mechanical, electrical insulation, and heat resistance properties that meet the requirements for high environmental reliability and chip warpage control. Thanks to the application of MR-MUF technology, the heat dissipation performance of HBM2E has increased by 36% compared to the previous generation HBM2.

MR-MUF технология обладает еще одной важной особенностью: используется защитный материал с названием эпоксидное модифицированное композиционное (EMC) для заполнения промежутков между микросхемами. EMC - это термореактивный полимер с отличными механическими, электрическими изоляционными и теплостойкими свойствами, которые удовлетворяют требованиям к высокой надежности в экстремальных условиях и контролю искривления микросхем. Благодаря применению технологии MR-MUF, теплорассеивающая способность HBM2E увеличилась на 36% по сравнению с предыдущим поколением HBM2.

После этого технология MR-MUF продолжала обновляться и вносила инновации, такие как технология управления чипом (Chip Control Technology) и новые материалы для улучшения теплоотвода. В результате применения нового EMC в продвинутой технологии MR-MUF удалось увеличить теплоотвод в 1,6 раза по сравнению с EMC в оригинальной технологии MR-MUF, что позволило SK Hynix снова достичь материальных инноваций.

Timeline of the development of HBM products and optimization of heat dissipation performance.

К 2024 году SK Hynix стала первой компанией, начавшей массовое производство HBM3E - новейшего поколения продуктов HBM с самой высокой в мире производительностью. После внедрения передовой технологии MR-MUF, по сравнению с предыдущим поколением 8-слойных HBM3, HBM3E улучшил теплоотводность на 10%, став популярным продуктом в эпоху искусственного интеллекта.

Looking towards the future, the company will continue to maintain its market-leading position in the field of HBM and has announced plans to bring forward the mass production of the next generation HBM4 products to 2025.

Перспективы будущего: компания продолжит сохранять своё лидирующее положение на рынке в области HBM и объявила о планах ускорить начало массового производства продуктов следующего поколения HBM4 до 2025 года.

Записанное в конце

В будущем, с развитием искусственного интеллекта, трехмерных интегральных схем, передовой упаковки и других новых технологий, производительность и энергопотребление микросхем станут сталкиваться с еще большими вызовами.

With the continuous development of semiconductor technology, effectively managing and reducing the heat generated by the chips will be an essential topic for the industry's sustainable development. This will continue to promote the emergence of more innovative cooling technologies and methods to meet the increasing demand for high-performance computing.

Перевод:

С постоянным развитием полупроводниковой технологии эффективное управление и снижение нагрева, вызываемого чипами, станут важной темой для устойчивого развития отрасли. Это будет продолжать способствовать появлению более инновационных технологий охлаждения и методов, чтобы удовлетворить растущий спрос на высокопроизводительные вычисления.

Конечно, какую статью или тему вы хотели бы перевести на русский язык?

Промышленная технологическая инновация.

Перевод на русский:

Интервью с университетом Пердью: исследование профессора Вэя по разработке технологии "двухфазного ударного струйного охлаждения" на уровне чипов повысит эффективность охлаждения в сто раз, сейчас планируется создание компании для коммерциализации этой технологии.

Карбоновые технологии: сотрудничество между Huawei и Университетом Сямэна - инновации в области технологии управления теплом алмазов!

Порошковые круги: как помогает термопроводящий материал решить проблему охлаждения искусственного интеллекта на микросхеме?

Примененная теплотехника

驭势资本: Revelando a nova tecnologia de resfriamento de chips da próxima geração, garantindo desempenho estável.

Thermal Management Expert: Phase Change Cooling Technology in High-Power Chip Cooling.

(Терморегулятор: технология охлаждения с передачей фазы в охлаждении мощных микросхем.)

Уейн Уильямс: Бионический керамический фитиль для тепловых трубок с циклическим обогревом (Loop Heat Pipes, LHPs) был вдохновлен листовыми стоматами

Electronics360: Liquid cooling technology supports advanced NVIDIA GPUs for sustainable AI.

Translated to Russian:
Electronics360: Технология жидкостного охлаждения поддерживает передовые GPU от NVIDIA для устойчивого искусственного интеллекта.

Конец

👇 Рекомендация общественного номера эксклюзивных полупроводников 👇

Concentrate on creating more original content in the semiconductor field.

Translated into Russian:
Сосредоточьтесь на создании большего количества оригинального контента в области полупроводников.

Follow global trends and developments in the semiconductor industry.

Перегонка мировых тенденций и направлений в полупроводниковой промышленности.

Сегодня представляем вашему вниманию 3914-й выпуск «Обзора полупроводниковой промышленности». Следите за обновлениями!

请问这句话需要翻译成俄语吗？

★EU商机机の重要なレポート、アメリカからの発表

Карбид кремния "под рывок": догонять, перегреваться, замещать.

Корпорации-гиганты чипов пытаются убить инженеров!

Яблоко, играйте в передовую упаковку

Исторический момент для GPU!

★ Корпорация Dàlù разрабатывает 7-нм микросхемы.

★ Интервью с Чжан Чжунмоу: Китай найдет способы для контратаки.

★ Новый "спаситель" для экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV).

"Первое вертикальное СМИ по полупроводникам"

Real-time, professional, original, in-depth

Translated to Russian: В реальном времени, профессиональный, оригинальный, глубокий

Идентификатор публичного аккаунта: icbank

Если вам нравится наш контент, поставьте "Смотрю" и поделитесь с друзьями.