http://www.physorg.com/news131865033.html
June 05, 2008
在 IBM 的實驗室中，水構成的微小河流正冷卻著有電路與元件在上互相堆疊的電腦晶片，這種設計允諾能在未來十年領先摩耳定律，而且能顯著減少資料中心所消耗的能量。IBM 研究者，在與柏林 Fraunhofer 研究所的合作下，示範一個原型，那透過直接在堆疊的每一層中為水鋪設管道，將冷卻系統整合到 3D 晶片中。
這些所謂的 3D 晶片堆疊 -- 那將傳統上並列在晶原上的晶片與記憶裝置，以一層疊一層的方式將它們堆疊在一起 -- 呈現出在其被預測的限制之外，加強晶片效能最有希望的一種方法。
這跟隨著 IBM 於一年前在一個製造環境中所達成的、在先進晶片堆疊技術中的領導地位，與 2D 晶片相較，那縮短資訊在晶片上所需行進的距離達 1000 倍，而且能為資訊的流動增加多達 100 倍以上的通道，或路徑。
"當我們以堆疊方式封裝晶片以加速處理器處理資料的能力時，我們發現傳統的、附加在晶片背部的冷卻裝置無法縮放（scale）。為了要利用 3D 晶片堆疊的高效能潛力，我們需要層與層之間的冷卻（interlayer cooling），" Thomas Brunschwiler 解釋，IBM Zurich 研究實驗室的計畫領導者。"直到目前，沒有人對此問題示範可行的解決方案。"
在大小為 4 平方公分，厚度為 1 mm 的 3D 晶片堆疊上，會有一種累積起來的、接近 1 千瓦的熱消散（heat dissipation）-- 比加熱板所所產生的熱要大上 10 倍。此外，每一層都為熱的移除增添障礙。
Brunschwiler 及其團隊將水的管道鋪設成冷卻結構，粗細與人類頭髮一樣（50 microns）位於晶片的每一層之間，以便從來源有效地移除熱。利用水優異的熱物理特性，科學家能在一個典型佔用空間（footprint）為 4 cm^2 的堆疊上示範高達每層 180 W/cm^2 的冷卻效能。（後面技術細節略譯）
這種將水密封起來的冷卻系統，類似於人腦中與數百萬個神經交錯縱橫在一起的幾萬條血管，那除了提供能量外，還能夠散熱。除了要蝕刻或鑽洞讓資訊能在每層間傳輸之外，他們完全以現有技術將每一層組合，科學家在每個互連（ interconnect）四周留下一道矽牆（又稱為矽穿孔 (through silicon vias，TSVs 一種堆疊封裝技術），並添加一層很細的矽氧化物層，讓這些電互連與水隔絕，而且這些結構的組裝精確度必須要達到 10 microns，較目前晶片的互連與金屬化要精確 10 倍。
為了要組合每一層，Brunschwiler 等人開發出一種精密的薄膜焊接（thin-film soldering）技術。透過此技術，科學家能達到跟電接點一樣優秀熱接觸所需要的高品質、精確與強健，而不會短路。在完工階段，組裝好的堆疊倍放置在一個矽冷卻容器中，類似於一個微型臉盆。水從一邊唧入容器中，然後在從另一側離開前，流經晶片的每一層。透過模擬，科學家推斷這個 4 cm^2 測試載具的實驗結果，並達到 180 W/cm^2 的冷卻效能。
這項結果以一篇名為「Forced convective interlayer cooling in vertically integrated packages」的論文，在 IEEE ITherm conference 上發表，並榮獲 Best Paper award。
※ 相關報導：
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http://www.zurich.ibm.com/news/08/3D_cooling.html
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