एक उच्च-परिशुद्धता शीतलन अर्धचालक इकाई उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों का समर्थन कैसे करती है?

3D एकीकृत परिपथों में ऊर्ध्वाधर स्टैकिंग के सबसे हालिया नवाचारों ने 3D एकीकृत परिपथों में गंभीर ऊष्मा संबंधी चुनौतियों को जन्म दिया है। वायु शीतलन या द्रव शीतलन समाधानों जैसी पारंपरिक विधियाँ अपर्याप्त हैं। सूक्ष्म-द्रव शीतलन (माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग) में सिलिकॉन इंटरपोज़र्स या पैकेज सब्सट्रेट्स में सूक्ष्म शीतलन चैनलों को एकीकृत किया जाता है, जिससे शीतलन क्रिया को कार्यरत ट्रांजिस्टरों के निकट ही किया जा सके। इससे पारंपरिक हीट सिंक समाधानों की तुलना में तापीय प्रतिरोध लगभग 40% तक कम हो जाता है। जेट इम्पिंजमेंट (जेट प्रहार) इससे भी अधिक कठोर है। यह तकनीक चिप में व्यक्तिगत हॉटस्पॉट्स, विशेष रूप से घने लॉजिक या इनपुट/आउटपुट डाई पर तीव्र गति से गतिमान द्रव धाराओं के माध्यम से ऊष्मा के स्थानांतरण के सिद्धांत पर आधारित है। यह तकनीक प्रति वर्ग सेंटीमीटर 300 वाट से अधिक की दर से ऊष्मा को अपवाहित कर सकती है। जब इन शीतलन विधियों को सबसे जटिल 2.5D और 3D चिप पैकेजों पर लागू किया जाता है, तो ये तापमान-प्रेरित यांत्रिक भारों के प्रभाव को कम करती हैं और फैन-आउट तथा हाइब्रिड बॉन्डिंग जैसी नवीनतम पैकेजिंग तकनीकों में परतों के पृथक्करण को रोकती हैं।

दो-चरणीय द्रव शीतलन विधि 500 डब्ल्यू/सेमी² से अधिक की ऊष्मा प्रवाह दर को अपशोषित करने की क्षमता प्रदान करती है।

शीतलन द्रव नोवेक 649 या एफसी-72 गर्म सतहों के संपर्क में आने पर वाष्प में परिवर्तित हो जाता है। इस शीतलक की उच्च ऊष्मा अवशोषण क्षमता, एकल-चरणीय शीतलन विधियों की अवशोषण क्षमता से अधिक होती है। यह शीतलन विधि 500 डब्ल्यू/सेमी² से अधिक के ऊष्मा प्रवाह के लिए सर्वोत्तम सिद्ध हुई है, जिसे सामान्य चालन या संवहन शीतलन द्वारा प्राप्त नहीं किया जा सकता है। व्यावहारिक रूप से, 2 किलोवाट के बड़े चिप्स के साथ, वाष्प चरण शीतलन प्रणालियाँ शीतलित सतहों के तापमान को 85°C पर बनाए रखती हैं, जिसमें एक्सास्केल प्रदर्शन तक पहुँचने वाले सुपरकंप्यूटरों में एआई प्रोसेसर भी शामिल हैं। जब शीतलन द्रव ऊष्मा को अवशोषित कर लेते हैं, तो वाष्प चरण बाहरी स्थित ठंडी प्लेट या संघनित्र के छोटे डक्ट्स की ओर प्रवाहित होता है। इससे तापीय सर्किट (लूप) पूर्ण हो जाता है। यह शीतलन प्रणालियों को, विशेष रूप से पिछले भाग में चिप शीतलन और बड़े पैमाने के सर्वर रैक्स के लिए, अत्यंत लाभदायक बनाता है, क्योंकि इनमें शीतलक को पुनः भरने की आवश्यकता नहीं होती है।

सामान्य प्रश्न

माइक्रोफ्लुइडिक शीतलन और जेट इम्पिंजमेंट क्या हैं?

जबकि माइक्रोफ्लुइडिक शीतलन सिलिकॉन सब्सट्रेट्स के भीतर छोटे चैनलों का उपयोग करके अधिक कुशल शीतलन प्रदान करता है, जेट इम्पिंजमेंट चिप्स पर विशिष्ट गर्म स्थानों (हॉट स्पॉट्स) को आघात करने के लिए तेज़ी से गतिमान द्रव की धाराओं का उपयोग करता है।

दो-चरणीय द्रव शीतलन इतना अच्छा क्यों है?

दो-चरणीय शीतलन 500 वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर से अधिक की शीतलन क्षमता प्रदान कर सकता है, जो किसी भी पारंपरिक विधि की तुलना में काफी अधिक है, क्योंकि यह गर्म घटकों पर शीतलक को वाष्पित कर देता है।

क्या ये शीतलन विधियाँ बड़े पैमाने के अनुप्रयोगों पर लागू की जा सकती हैं?

हाँ, माइक्रोफ्लुइडिक शीतलन और दो-चरणीय शीतलन बड़े सर्वर रैक्स और प्रत्यक्ष चिप शीतलन के लिए बहुत उपयुक्त हैं, विशेष रूप से AI प्रोसेसर्स और सुपरकंप्यूटर्स के लिए।