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Les innovations les plus récentes en matière d'empilement vertical de circuits intégrés tridimensionnels (3D) ont engendré des défis thermiques sévères dans ces circuits. Les méthodes traditionnelles de refroidissement par air ou par liquide s'avèrent insuffisantes. Le refroidissement microfluidique intègre des canaux de refroidissement miniaturisés dans les interposants en silicone ou les substrats d'emballage, permettant ainsi d’appliquer l’action de refroidissement à proximité immédiate des transistors en fonctionnement. Cela améliore la résistance thermique d’environ 40 % par rapport aux solutions traditionnelles de dissipateurs thermiques. Le refroidissement par jet d’impact est encore plus performant. Cette technique repose sur le principe de transfert de chaleur au moyen de jets de fluide à haute vitesse dirigés vers des points chauds spécifiques de la puce, notamment dans les zones de logique dense ou les puces d’entrée/sortie. Cette méthode permet d’évacuer la chaleur à un débit supérieur à 300 watts par centimètre carré. Lorsqu’elles sont appliquées aux paquets de puces 2,5D et 3D les plus complexes, les méthodes de refroidissement mentionnées ci-dessus atténuent l’impact des charges mécaniques induites par la température et empêchent la séparation des couches dans les techniques d’emballage les plus récentes, telles que le « fan-out » et la liaison hybride.
Le refroidissement liquide biphasé permet d'évacuer des flux thermiques supérieurs à 500 W/cm².
Le liquide de refroidissement Novec 649 ou FC-72 se transforme en vapeur au contact des surfaces chaudes. Cette capacité élevée d'absorption thermique du fluide frigorigène dépasse celle des méthodes de refroidissement monophasé. Cette méthode de refroidissement s'avère la plus efficace pour des flux thermiques supérieurs à 500 W/cm², ce que ne peuvent atteindre les méthodes classiques de refroidissement conductif ou convectif. En pratique, avec des puces dissipant jusqu'à 2 kW, les systèmes de refroidissement en phase vapeur maintiennent la température des surfaces refroidies à 85 °C, y compris pour les processeurs IA intégrés dans des superordinateurs atteignant des performances exascale. Une fois que les liquides de refroidissement ont absorbé la chaleur, la phase vapeur s'écoule vers une plaque froide située à l'extérieur ou vers de petits canaux d'un condenseur. Cela ferme le circuit thermique (boucle). Cette caractéristique rend les systèmes de refroidissement particulièrement avantageux, notamment pour le refroidissement arrière des puces et pour les baies de serveurs à grande échelle, car ils ne nécessitent pas de recharge du fluide frigorigène.
FAQ
Quels sont le refroidissement microfluidique et le refroidissement par jet d'impact ?
Alors que le refroidissement microfluidique utilise des canaux miniatures intégrés dans les substrats en silicium pour un refroidissement plus efficace, le refroidissement par jet d'impact utilise des jets de liquide à grande vitesse dirigés vers des points chauds spécifiques sur les puces.
Pourquoi le refroidissement liquide biphasique est-il si performant ?
Le refroidissement biphasique peut dépasser 500 watts par centimètre carré, soit nettement plus que toutes les méthodes conventionnelles, simplement parce qu’il fait évaporer le fluide frigorigène directement sur les composants chauds.
Ces méthodes de refroidissement peuvent-elles être mises en œuvre dans des applications à grande échelle ?
Oui, le refroidissement microfluidique et le refroidissement biphasique sont très adaptés aux armoires de serveurs à grande échelle et au refroidissement direct des puces, notamment pour les processeurs d’intelligence artificielle et les superordinateurs.