COMPUTING

TSMC considera la refrigeración por agua en chip para el futuro silicio de alto rendimiento

Cada pocos años, un importante fabricante de microprocesadores o una institución de investigación se sumerge en el mundo de la refrigeración por agua radical de la CPU. TSMC dio recientemente su propia presentación sobre el tema, en la que exploró tres métodos diferentes para enfriar potencialmente un chip con enfriamiento por agua en el troquel.

Las empresas y organizaciones siguen volviendo a esta idea porque un sistema de refrigeración por agua integrado y asequible podría resolver muchos otros problemas en la fabricación avanzada de chips. AMD está trabajando en una versión de su núcleo de CPU Zen 3 con 128 MB de caché L3 integrado, pero la compañía tuvo que colocar cuidadosamente los chips de caché para evitar causar problemas de puntos calientes dentro del dado Ryzen. Se supone que el apilamiento de matrices vertical impulsa la densidad de semiconductores a lo largo de la década de 2020, continuando la tendencia general de mejoras de densidad que llamamos «Ley de Moore». Por cierto, esto también permite a las fundiciones de semiconductores hablar sobre la idea de extender la Ley de Moore, a pesar de que la ley titular no dice nada sobre el apilamiento de chips 3D, como tal.

Sin embargo, la capacidad de la industria para apilar chips una encima de la otra es directamente proporcional a su capacidad para evitar que la pila de silicio se tueste con su propio calor. El acelerador A100 de Nvidia está diseñado para TDP de 500W, mientras que el Ponte Vecchio de Intel tiene un TDP de 600W. Los fabricantes y diseñadores continúan empujando los límites, y algunos tipos de refrigeración por agua en el paquete (o en la matriz) deberían estar integrados al menos parcialmente por el fabricante. Los detalles aquí dependen del tipo de solución considerada.

TSMC probado tres métodos diferentes para crear canales de fluidos y tres métodos diferentes para combinar la solución de enfriamiento y el vehículo de prueba térmica (TTV). Los tres tipos de canales de fluidos probados fueron pilares cuadrados, zanjas y un plano. Los tres tipos de diseños de enfriadores probados por TSMC fueron enfriamiento directo por agua, un enfriador con un material de interfaz térmica de óxido de silicio (TIM) y un enfriador con un TIM de metal líquido.

En Direct Water Cooling, los canales de agua se grabaron directamente en la capa de silicio en la parte superior de la CPU. En la segunda prueba, los canales de silicio se grabaron en una capa de silicio con un material de interfaz térmica de óxido de silicio entre el sistema de microfluidos y el silicio real del TTV. En la tercera opción, el TIM de óxido de silicio fue reemplazado por un TIM de metal líquido. Los datos de TSMC mostraron que el diseño del pilar cuadrado superó a los otros dos enfoques, por lo que nos centraremos en las cifras informadas para esa solución:

De acuerdo con los datos de prueba de TSMC, su diseño más frío fue capaz de disipar 2.6kW de calor como máximo (con un caudal de 5.8L / minuto) y un delta de temperatura de 63C. El enfriamiento directo por agua tuvo el mejor desempeño, seguido del TIM de óxido de silicio. Sin embargo, incluso el TIM de metal líquido fue capaz de disipar 1,8 kW de calor. Eso es mucho más eficiente que cualquier cosa disponible en la actualidad, aunque obviamente, este es un vehículo de prueba térmica / prueba de concepto, no un producto final.

Es interesante pensar en el tipo de productos que podrían requerir ese tipo de enfriamiento en el futuro. Hay pocas posibilidades de que los entusiastas de la informática lleguen a alcanzar alturas tan elevadas. Un circuito de 15 amperios a 120 voltios puede proporcionar 1800 vatios nominales. Las GPU entusiastas pueden continuar alcanzando TDP más altos (no puedo predecir lo que harán AMD y Nvidia en ese frente), pero estamos muy lejos de las GPU de 1kW, por no hablar de 2.6kW.

El tipo de mejora del rendimiento de refrigeración que TSMC podría ofrecer potencialmente permitiría velocidades de reloj más altas que cualquier cosa que hayamos visto hasta la fecha, pero sospecho que no tanto como desearíamos. El silicio simplemente no se escala mucho más allá de los 5 GHz, y es posible que los fabricantes no dediquen mucho esfuerzo a impulsar el rendimiento bruto de esa manera. Lo que es más interesante es el tipo de mejoras de densidad que podría permitir este tipo de refrigeración. Si bien el hardware de enfriamiento requiere su propia infraestructura, un sistema capaz de disipar hasta 2.6kW de calor podría enfriar mucho más hardware en un espacio mucho más pequeño que las implementaciones de servidores actuales.

Un sistema de enfriamiento que pueda disipar 2.6kW de calor es una exageración en cualquier producto de consumo razonable, pero no necesariamente en los sistemas de servidor o centro de datos del futuro, especialmente si más y más procesamiento continúa moviéndose a la nube. Hasta ahora, este tipo de soluciones de enfriamiento no se han comercializado porque los fabricantes no se han visto obligados a adoptar métodos tan costosos para aumentar el rendimiento para continuar ofreciendo mejoras en el rendimiento del hardware. Sin embargo, los TDP de hardware apenas están disminuyendo, y el cambio hacia el apilamiento de chips 3D puede requerir un replanteamiento radical de las estrategias de enfriamiento existentes a largo plazo.

Crédito: Laura Ockel / Unsplash, PCMag

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