Mivel így a chipek mérete csökkenthető, a félvezetőgyártásban – egyelőre főleg egyes memóriáknál – egy ideje alkalmaznak egy olyan eljárást, melynek során a chipeket rétegesen egymás fölé építik, majd az így elkészített „szendvicset” tokozzák. A megoldás előtt az IBM egy tavaly publikált és azóta gyakorlatban is alkalmazott felfedezése új távlatokat nyitott. Korábban a rétegezett chipeket külső vezetékekkel kötötték össze, akárcsak az önállóan tokozott lapkákat, így a szoros integrációban rejlő potenciált a huzalozás nem használta ki. A „through-silicon vias” kifejezés nyomán röviden TSV-nek nevezett IBM-technológia viszont igen. Ennek lényege, hogy a rétegeket függőleges vezetékekkel kötik össze úgy, hogy a szilíciumot átlyukasztják, majd a lyukat fémmel kitöltve hozzák létre az átkötést és a felszíni érintkezőfelületeket. Így az információnak bizonyos esetekben csupán ezredannyi utat kell megtennie, mint korábban, miközben akár százszor annyi adatcsatorna is kialakítható, mint a nem térbeli, kétdimenziós felépítésnél. Az áttörés gyakorlati hozadéka, hogy akár olyan komplex chipek is rétegezhetővé válnak, mint például a processzorok.
Az IBM tervei között szerepel is olyan réteges chipek gyártása, melyekben a memória a mikroprocesszor fölött helyezkedik el vagy éppen az egyes processzormagokat építik egymás fölé. De hogyan lehet az ilyen chipeket hatékonyan hűteni? A ma elterjedt, felületi hűtési megoldások nem használhatók, mert a közbenső rétegek hűvösen tartására nem alkalmasak. Az IBM úgy kalkulál, hogy egy ilyen háromdimenziós felépítésű processzor disszipációja elérheti akár az 1 kilowattot fél köbcentiméterenként, ami még a nukleáris reaktorokat is megszégyenítő érték.
A vállalat svájci kutatóinak – közösen a Fraunhofer Intézet tudósaival – most sikerült megoldást találni erre a problémára. „Ahogy a chipek egymásra pakolásával növeltük a processzorok adatfeldolgozó képességét, azt találtuk, hogy a hagyományos, a chipek hátához illesztett hűtők nem skálázódnak. Ahhoz, hogy a háromdimenziós chipgyártásban rejlő potenciált ki tudjuk használna, a hűtést be kell vinni a rétegek közé” – foglalta össze a módszer lényegét Thomas Brunschwiler, aki a projektet vezeti az IBM zürichi kutatólaboratóriumában.
Víz a chipben
A kutatók merész ötlettel álltak elő: vizet vezettek a rétegek közé, éppen oda, ahol a chipek összeköttetését biztosító TSV-vezetékek húzódnak. A laboratóriumban megépített kísérleti chip egy 1x1 centiméteres lapka volt, amelyben két réteg hőforrás (értsd: chip) között egy vékony hűtőréteget alakítottak ki. Ezen a körülbelül 100 mikron (!) vastag rétegen négyzetcentiméterenként 10 000 darab vezeték fut keresztül. A kihívást az jelentette, hogy úgy kellett biztosítani a maximális vízáramlást a rétegek között, hogy közben a zárlatot megelőzendő hermetikusan leszigeteljék a vezetékeket. Ezt úgy oldották meg, hogy a TSV-k kialakításakor (azaz amikor lyukakat fúrtak a szilíciumba) egy vékony szilícium-oxid réteget vontak a vezetékek köré – ehhez 10 mikronos pontossággal kellett dolgozni. Az így megépített szendvicset aztán egy szilíciumból készült hűtőtartályba helyezték: ennek egyik oldalán pumpálják be a hideg, 20 fokos vizet, amely keresztülfolyik a rétegek között, majd távozik a másik oldalon.
A hűtőréteg egy elektronmikroszkóppal készített felvételen. A víz a bal felső sarokban lévő lyukon áramlik be. A kép jobb oldalának alsó harmadában a TSV-k láthatók. (Fotó: IBM)
A kísérlet során nyert eredmények alapján a tudósok úgy számolnak, hogy egy 4 négyzetcentiméter területű chipen akár 180 W/cm2 hűtési teljesítményt is el lehet érni a módszerrel. „Ez igazi áttörés. Hagyományos hűtőkkel két vagy több nagy disszipációjú logikai áramkör hűtése megoldhatatlan” – villantotta fel a felfedezés jelentőségét a projekt egy másik kutatója, Bruno Michel.
Az új hűtési eljárást a vállalat a múlt héten ismertette a floridai Orlandóban megrendezett IEEE ITherm 2008 konferencián, ahol az anyag elnyerte a legjobb dolgozatnak járó díjat. Az elmélet tehát sikeres, de még hosszú időnek kell eltelnie ahhoz, hogy a laboratóriumból kikerüljön: legalább öt évet kell várni addig, míg a chipgyártásban alkalmazni kezdik.
