หน่วยเซมิคอนดักเตอร์ระบายความร้อนแบบแม่นยำช่วยสนับสนุนอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร?

นวัตกรรมล่าสุดในการจัดเรียงแนวตั้งของวงจรรวมแบบสามมิติ (3D integrated circuits) ได้ก่อให้เกิดปัญหาความร้อนรุนแรงขึ้นในวงจรรวมแบบสามมิติ วิธีการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม เช่น การระบายความร้อนด้วยอากาศหรือของเหลว ไม่เพียงพอต่อความต้องการ ระบบระบายความร้อนแบบไมโครฟลูอิดิกส์ (microfluidic cooling) ผสานช่องระบายความร้อนขนาดจิ๋วเข้ากับแผ่นแทรกซ้อนซิลิคอน (silicone interposers) หรือแผ่นฐานบรรจุภัณฑ์ (package substrates) ทำให้การระบายความร้อนเกิดขึ้นใกล้เคียงกับทรานซิสเตอร์ที่กำลังทำงานอยู่โดยตรง ซึ่งช่วยปรับปรุงค่าความต้านทานความร้อนได้ประมาณร้อยละ 40 เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการใช้ฮีตซิงก์แบบดั้งเดิม ส่วนเทคนิคการพ่นเจ็ต (jet impingement) นั้นมีประสิทธิภาพสูงยิ่งกว่านั้น เทคนิคนี้อาศัยหลักการถ่ายโอนความร้อนด้วยลำของไหลที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงไปยังจุดร้อนเฉพาะบนชิป โดยเฉพาะบริเวณไดอ์ลอจิกหนาแน่นหรือไดอ์ส่วนอินพุต/เอาต์พุต ซึ่งเทคนิคนี้สามารถถ่ายเทความร้อนได้ในอัตราสูงกว่า 300 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เมื่อนำไปประยุกต์ใช้กับแพ็กเกจชิปแบบ 2.5D และ 3D ที่ซับซ้อนที่สุด วิธีการระบายความร้อนข้างต้นจะช่วยบรรเทาผลกระทบจากแรงเชิงกลที่เกิดจากอุณหภูมิ และป้องกันไม่ให้ชั้นต่าง ๆ แยกตัวออกจากกันในเทคนิคการบรรจุภัณฑ์รุ่นล่าสุด เช่น เทคนิคแฟน-เอาต์ (fan-out) และไฮบริดบอนดิง (hybrid bonding)

การระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบสองเฟสสามารถถ่ายเทความร้อนได้ในอัตราสูงกว่า 500 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร

ของเหลวที่ใช้ในการระบายความร้อน เช่น Novec 649 หรือ FC-72 จะเปลี่ยนสถานะเป็นไอเมื่อสัมผัสกับพื้นผิวร้อน ความสามารถในการดูดซับความร้อนสูงของสารหล่อเย็นชนิดนี้จึงเหนือกว่าความสามารถในการดูดซับความร้อนของวิธีการระบายความร้อนแบบไหลเวียนเดี่ยว (single-phase cooling) วิธีการระบายความร้อนนี้จึงพิสูจน์แล้วว่าเหมาะสมที่สุดสำหรับการถ่ายเทความร้อนที่มีอัตราสูงกว่า 500 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งวิธีการระบายความร้อนแบบนำความร้อนหรือพาความร้อนทั่วไปไม่สามารถทำได้ ในทางปฏิบัติ สำหรับชิปที่มีกำลังไฟสูงถึง 2 กิโลวัตต์ ระบบระบายความร้อนแบบไอสามารถรักษาอุณหภูมิของพื้นผิวที่ถูกทำให้เย็นไว้ที่ 85°C รวมถึงโปรเซสเซอร์ AI ที่ใช้ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพระดับเอ็กซาสเกล (exascale) หลังจากที่ของเหลวระบายความร้อนดูดซับความร้อนแล้ว ไอจะไหลไปยังแผ่นทำความเย็น (cold plate) ที่ติดตั้งอยู่ภายนอก หรือไหลเข้าสู่ท่อขนาดเล็กของคอนเดนเซอร์ ซึ่งจะปิดวงจรความร้อน (loop) ด้วยเหตุนี้ ระบบระบายความร้อนดังกล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการระบายความร้อนบริเวณด้านหลังชิป และตู้เซิร์ฟเวอร์ขนาดใหญ่ จึงมีข้อได้เปรียบอย่างมาก เนื่องจากไม่จำเป็นต้องเติมสารหล่อเย็นใหม่

คำถามที่พบบ่อย

การระบายความร้อนแบบไมโครฟลูอิดิกส์และการระบายความร้อนด้วยเจ็ตพุ่งคืออะไร

ขณะที่การระบายความร้อนแบบไมโครฟลูอิดิกส์ใช้ช่องขนาดเล็กภายในซับสเตรตซิลิคอนเพื่อการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีการระบายความร้อนด้วยเจ็ตพุ่งจะใช้ลำของของเหลวที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วมากระทบจุดร้อนเฉพาะบนชิป

เหตุใดการระบายความร้อนด้วยของเหลวสองเฟสจึงมีประสิทธิภาพสูงมาก

การระบายความร้อนแบบสองเฟสสามารถให้กำลังการระบายความร้อนได้สูงกว่า 500 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งสูงกว่าวิธีการแบบดั้งเดิมทั้งหมดอย่างมาก เนื่องจากสารทำความเย็นจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอเมื่อสัมผัสกับชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูง

วิธีการระบายความร้อนเหล่านี้สามารถนำไปใช้งานในระบบขนาดใหญ่ได้หรือไม่

ได้ ทั้งการระบายความร้อนแบบไมโครฟลูอิดิกส์และการระบายความร้อนแบบสองเฟสสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ดีกับแร็กเซิร์ฟเวอร์ขนาดใหญ่และการระบายความร้อนโดยตรงที่ชิป โดยเฉพาะสำหรับโปรเซสเซอร์ AI และซูเปอร์คอมพิวเตอร์