TSMCは先日、VLSIシンポジウムで、熱放散の問題に対処する方法として、オンチップ水冷に関する研究成果を発表しました。この研究では、水路をチップ設計に直接組み込むことが求められています。
製造技術の高密度化と3Dチップ積層の増加によりトランジスタが高密度に集積されるにつれ、温度対策はますます重要な課題となっています。TSMCの研究者たちは、挟まれた回路間に水を流すことでこの問題を解決しようとしています。これは理論的には非常にシンプルな解決策ですが、電子機器にとって安全に実現するのは極めて困難な技術的課題です。
計算は簡単です。現在の冷却ソリューションは、通常、チップのヒートスプレッダーへの直接接触、ダイへの直接接触技術、または非導電性流体への完全浸漬によって機能します。これらのうち、最初の2つのソリューションは、直接接触している層のみを効率的に冷却できるため、チップの垂直積層には大きな問題が生じます。下層は熱を放散するのがはるかに困難になり、損傷やスロットリングの影響を受けやすく、どちらもパフォーマンスに悪影響を及ぼします。
それだけでなく、チップの最上層はパッケージ全体の熱を放熱層まで運ぶ必要があるため、さらなる負担がかかります。また、液体浸漬は効率的で、積層ダイには適している可能性が高いものの、既に空冷や従来の水冷が主流となっているプロフェッショナルユースの環境では、コストが高く、導入が困難です。
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TSMCは、制御された実験室環境で、ダミー半導体（熱試験車両（TTV）とも呼ばれる銅製の発熱体）を用いた試験を実施しました。同社は、制御された環境下で3種類のシリコン水チャネル統合をテストしました。1つは、活性半導体の柱の周囲に水を流して冷却する柱型チャネル（島の周りの水をイメージしてください）、もう1つはトレンチ型チャネル（岸によって制御される川をイメージしてください）、そしてもう1つはシリコンチップの残りの部分の上部にシンプルな平面水チャネルを配置するものです。水は外部冷却機構を通過し、シリコンチップを通過する際に25℃まで冷却されました。
同社はさらに、3種類の水冷設計をテストした。1つは直接水冷（DWC）のみで、製造工程の一環としてチップのシリコンに直接水専用の循環チャネルをエッチングしたもの、もう1つはチップ上部のシリコン層に水チャネルをエッチングし、チップから水冷層に熱を運ぶOX（シリコン酸化物融合）の熱伝導性界面材料（TIM）層を備えた設計、そして最後にOX層をよりシンプルで安価な液体金属ソリューションに置き換えた設計である。
TSMCは、直接水冷方式が圧倒的に優れたソリューションであると報告しました。この方式は最大2.6kWの放熱が可能で、温度差は63℃でした。次に優れた設計は当然ながらOX TIMベースで、最大2.3kWの放熱が可能で、温度差は83℃でした。液体金属ソリューションは最下位でしたが、最大1.8kW（温度差75℃）の放熱を実現しました。すべての水流設計の中で、ピラーベースが圧倒的に優れていました。
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もちろん、このような斬新な冷却ソリューションが主流になるまでには何年もかかるでしょう。しかし、これはトランジスタ密度の継続的な向上、極めて重要な面積当たり性能の継続的な向上、そして将来の3D半導体を実現するための確かな道筋の一つとなるでしょう。
Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
