Da IBM un innovativo sistema per raffreddare i chip 3D

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Un prototipo di chip multistrato (3D) dotato di un sistema di raffreddamento che sfrutta un sistema di mini-tubazioni ad acqua che collegano direttamente i vari strati dello stack.

I ricercatori IBM del laboratorio di Zurigo, in collaborazione con il Fraunhofer Institute di Berlino hanno realizzato un prototipo che integra un particolare sistema di raffreddamento in un chip multistrato (3D) che sfrutta un sistema di mini-tubazioni ad acqua che collegano direttamente i vari strati dello stack.

Questi cosiddetti “3-D chip stacks” – in cui i chip e i dispositivi di memoria, che solitamente sono posti uno accanto all’altro su un wafer di silicio, sono impilati uno sull’altro – sembrerebbero fornire un approccio promettente e potrebbero permettere di aumentare le prestazioni dei chip oltre ogni aspettativa.

Gli scienziati stanno cercando ora un modo per impilare la memoria sopra ai processori e successivamente sovrapporre più strati di processori. In uno scenario così futuristico i sistemi di raffreddamento rappresentano una sfida estremamente impegnativa. Nel posizionare i chip uno sull’altro per potenziare la capacità  del processore di elaborare i dati, si è notato che i tradizionali sistemi di raffreddamento collegati sul retro del chip offrono scarsi livelli di scalabilità . Per poter sfruttare al meglio le potenzialità  della tecnologia 3D chip stacking, occorre un sistema di raffreddamento su più strati. Questi stacks con chip a 3-D avrebbero una dispersione di calore pari a 1 kilowatt in un volume di mezzo centimetro cubo, un dato mai registrato prima, 10 volte superiore a qualunque altro dispositivo creato dall’uomo (le densità  di energia in questi processori stack sono maggiori di quelle presenti nei reattori nuclari e al plasma).

I ricercatori hanno integrato all’interno di strutture di raffreddamento una serie di mini-tubazioni ad acqua fini come capelli (50 micron) posizionandole tra gli strati dei chip così da rimuovere il calore direttamente dalla fonte in modo efficace. Utilizzando le qualità  termofisiche superiori dell’acqua, gli scienziati sono riusciti a dimostrare una capacità  di raffreddamento pari a 180 W/cm2 per strato in uno stack con un footprint tipico di 4 centimetri quadrati

In alcuni esperimenti, gli scienziati hanno portato acqua attraverso un prototipo, con dimensioni di 1 per 1 cm, composto da uno strato di raffreddamento tra due matrici o fonti di calore. Lo strato di raffreddamento è alto solo 100 micron e contiene 10.000 interconnettori verticali per cm2. Il team ha risolto un problema tecnico di fondamentale rilevanza progettando un sistema in grado di massimizzare il flusso d’acqua tra i layers, ma allo stesso tempo capace di sigillare ermeticamente le interconnessioni, per evitare che l’acqua provochi dei cortocircuiti al sistema.

La complessità  di questo sistema ricorda un po’ il funzionamento del cervello umano, dove milioni di nervi e neuroni sono connessi per il passaggio di informazioni ma non interferiscono assolutamente con le decine di migliaia di vasi sanguigni per quanto riguarda il raffreddamento e il fabbisogno di energia.

[A cura di Mauro Notarianni]