Une série de refroidisseurs de processeur imprimés en 3D a été l’une des présentations les plus intéressantes à ITF World, une conférence organisée par le géant de la recherche sur les puces imec à Anvers, en Belgique. Ces prototypes de waterblocks augmentent la capacité de refroidir les processeurs denses, comme les CPU et les GPU, jusqu’à 3,5 fois par rapport aux types de solutions que nous voyons dans les meilleurs refroidisseurs de CPU aujourd’hui, permettant ainsi une densité de puissance plus élevée et débloquant des performances inexploitées dans les puces modernes. Les résultats de cette recherche pourraient conduire à de nouveaux watercoolers radicaux pour toutes sortes de puces.
Refroidissement à matrice nue qui force le liquide directement sur la matrice du processeur apparaît comme l’une des avancées les plus évidentes pour faire face à l’excès de chaleur généré par les nouvelles puces, et imec ouvre la voie avec de nouvelles techniques pour débloquer la pleine performance des nœuds de processus les plus denses. Cela devient de plus en plus important avec chaque nouvelle génération de puces, car la consommation d’énergie monte en flèche en raison de la diminution de la mise à l’échelle de la réduction de puissance avec des nœuds plus petits. De plus, des transistors plus petits augmentent la densité de puissance, ce qui complique les efforts de refroidissement et limite finalement les performances des puces.
Le but ultime des concepteurs de puces est de faire plus de travail dans un espace plus petit. Pourtant, les puces d’aujourd’hui sont déjà limitées en puissance et les zones de «silicium noir» sont désactivées pendant que la puce fonctionne pour rester dans certaines limites de TDP et de température. Cela signifie que la plupart des puces n’utilisent qu’une partie de leur potentiel pendant le fonctionnement normal. De plus, le problème ne fait que s’intensifier avec chaque génération de puces – les processeurs modernes comme Epyc Genoa d’AMD atteignent déjà 400 W, et les feuilles de route indiquent des puces de serveur de 600 W à l’avenir.
Contrairement aux approches de refroidissement par eau standard qui utilisent un waterblock autonome doté d’une plaque froide couplée à un dissipateur de chaleur à puce pour refroidir le processeur, les prototypes de refroidisseurs imprimés en 3D illustrés dans l’album ci-dessous forcent le liquide directement sur la matrice nue du processeur, ainsi améliorer les capacités de refroidissement en pompant le liquide de refroidissement directement à la surface du processeur.
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Les waterblocks imprimés en 3D permettent un prototypage rapide, et imec utilise différents types de polymères standard utilisés dans l’impression 3D pour s’assurer que les waterblocks peuvent supporter les charges de température. On ne sait pas si l’on pourrait imprimer ces dessins sur l’une des meilleures imprimantes 3D.
Les blocs d’eau imprimés en 3D peuvent être personnalisés de plusieurs manières différentes, avec des réseaux de buses personnalisés (vous pouvez les voir sur les images) projetant du liquide directement sur la surface de la puce dans des zones ciblées, telles que directement sur des noyaux individuels ou des zones générant une chaleur élevée. de la puce utilisée pour les opérations vectorielles, afin d’améliorer les capacités de refroidissement.
Les waterblocks sont également conçus sur mesure pour consommer le moins d’espace possible et utilisent actuellement un joint torique pour empêcher les infiltrations de liquide autour du waterblock. Naturellement, imec expérimente plusieurs types de mécanismes d’étanchéité et différents types de matériaux d’impression 3D pour les blocs.
Presque tous les liquides diélectriques peuvent être utilisés avec ces refroidisseurs, comme l’eau traitée ou les réfrigérants. Naturellement, même si le liquide n’est pas conducteur, le refroidissement liquide à puce nue nécessite de sceller les zones autour de la puce, telles que les condensateurs et autres circuits électroniques sur le PCB. Cependant, pour garder le liquide de refroidissement aussi près que possible de la puce, le haut de la matrice n’a aucun scellant. Les chercheurs pompent le liquide directement sur la surface lisse de la matrice, mais d’autres approches, comme l’ajout de stries au sommet de la matrice, peuvent débloquer encore plus de performances de refroidissement.
Les mastics posent des problèmes de fiabilité à long terme en raison des cycles thermiques rapides et des interactions avec les divers liquides de refroidissement utilisés dans le système. Néanmoins, imec travaille méthodiquement pour trouver le bon mélange de tous les matériaux afin d’assurer une fiabilité à long terme.
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L’album ci-dessus contient plusieurs diapositives décrivant les expériences du chercheur. En général, le refroidissement de plus de 100 W de puissance par centimètre carré s’est avéré incroyablement problématique, ce qui conduit à une règle générale selon laquelle la répartition de 1 W de puissance sur 1 MM carré de silicium permet un refroidissement efficace. Cependant, la densité de puissance monte en flèche avec des nœuds de processus plus petits, il est donc primordial d’augmenter la capacité d’éliminer la chaleur des concentrations de puissance plus élevées pour continuer à débloquer des performances supplémentaires.
N’oubliez pas que plus de consommation d’énergie équivaut souvent à plus de performances de puce (il y a des mises en garde – l’efficacité peut en souffrir). Les chercheurs de l’imec nous disent qu’ils peuvent refroidir jusqu’à 1 000 W dans un seul centimètre carré (100 W par mm ^ 2), ou même jusqu’à 500 W dans un seul mm ^ 2, mais ce type de performance de refroidissement n’est pas représentatif des performances typiques. performances car il ne s’adapte pas bien à une puce entière.
Dans les applications courantes, ces refroidisseurs de puces pourraient permettre jusqu’à 350 W de capacité de refroidissement par centimètre carré, soit environ 3,5 W par mm ^ 2 – une augmentation de 3,5 fois par rapport à ce que l’on voit couramment aujourd’hui. Comme le montre l’album ci-dessus, cela permettra aux concepteurs de puces de continuer à repousser les limites des performances avec une méthode comparativement plus conservatrice que les solutions de refroidissement monophasées et biphasées qui seraient nécessaires pour s’étendre au-delà de 4 W par mm ^ 2.
Naturellement, il s’agit d’une vue simpliste de la façon dont ces solutions de refroidissement fonctionneraient, de nombreuses autres variables, telles que les deltas de température et d’autres facteurs, étant nécessaires pour mesurer correctement les différents mérites de l’approche. Cependant, une chose est certaine – cette approche constitue l’un des moyens les plus simples d’augmenter les capacités de refroidissement avec un coût raisonnablement accru. D’autres techniques, telles que la recherche TSMC qui propose de pomper du liquide de refroidissement à travers des microcanaux à l’intérieur de la puce elle-même, sont évidemment beaucoup plus exotiques et donc coûteuses et plus lointaines.
Les efforts d’Imec en sont encore à la phase de recherche alors que les chercheurs s’efforcent d’identifier les matériaux, les liquides et les conceptions appropriés qui permettront la création de solutions de refroidissement produites en série, les premiers produits de cette recherche prenant probablement cinq ans avant de filtrer. marché.