Chips cada vez más potentes. ¡Pero el calor es un enemigo!

Si miramos los últimos 20 años, ¡la evolución en el lado del chip ha sido impresionante! Más pequeño, más rápido, más eficiente … pero, por supuesto, cada vez más caliente.

Estamos llegando a un punto en el que el calor se ha convertido en el nuevo límite físico de innovación en el mundo de los semiconductores. Sí, estamos entrando en una crisis térmica que puede ralentizar (o incluso bloquear) el futuro de los procesadores más avanzados. Curiosamente, ni siquiera estamos hablando de procesadores o tableros de gráficos. Todo se queda … ¡cálido!

Chips cada vez más potentes. Pero el calor es un enemigo … ¡complicado!

Durante décadas, vivimos en el ritmo de la ley de Moore. Más transistores, más potencia de procesamiento, más progreso. Sin embargo, ahora que comienza a complicarse para reducir el tamaño de los transistores y el voltaje al mismo tiempo, todo comenzó a cambiar. El voltaje estancado, la densidad aumentó, y con eso, El calor disparado.

Más chips compactos = más calor = ¡Más problemas!

Hoy, a medida que nos acercamos al Nodos de producción de 2 nm y abajolos ingenieros enfrentan un problema que no es nuevo, pero es más grave: ¿Cómo se controla la temperatura en un horno microscópico dentro de su computadora portátil o teléfono inteligente?

Simulaciones recientes hechas por Imec indicar que pasar de una generación de transistores de nanoshois (A10) a CFET (A5) puede dar lugar a un aumento en 12 a 15% en la densidad de potencia. Algo que se traduce en un aumento de temperatura de 9 ° Cmanteniendo el mismo voltaje. Parece poco, pero en un centro de datos con millones de chips, puede ser la diferencia entre un funcionamiento estable y … apagón completo.

De hecho, también puede dar como resultado un gran aumento en el consumo de energía en los sistemas de enfriamiento. Lo que no es bueno también cuando el objetivo es aumentar los niveles de rendimiento de una manera mínimamente sostenible.

¡Los métodos tradicionales ya no llegan!

¿Enfriadores de aire? Insuficiente. ¿Líquido? Ya se está utilizando en centros de datos de alto rendimiento. Pero incluso eso puede no llegar.

Ahora hablamos de soluciones como refrigeración microfluídica, chorros con líquido directamente sobre chips, o incluso Inmersión total en conductores de calor especiales. Y esto está solo en el hardware.

¡El secreto puede estar en el «lado B» del chip!

Una de las grandes apuestas para el futuro es Red de entrega de potencia trasera (BSPDN). La idea es simple (pero brillante): mueva el sistema de fuente de alimentación del chip a la parte posterior de la almohadilla de silicio. Esto reduce la resistencia, mejora el control de voltaje y, en teoría, genera menos calor.

Pero hay un problema: Esto hace que el chip sea más difícil de enfriar. Las simulaciones apuntan a que la temperatura local aumenta hasta 14 ° C en ciertas áreas. Estamos resolviendo un problema para crear otro.

En teléfonos móviles o portátil? Se olvida

Todo esto es espectacular … en papel. Pero en teléfonos móviles o portátilesdonde el espacio es mínimo, los recuentos de peso y la autonomía lo son todo, la mayoría de estas soluciones no son prácticas.

Por cierto, este problema ya mostrará su cara «fea» en los teléfonos inteligentes superflaros que llegarán al mercado en 2025. Los teléfonos móviles súper delgados no tienen espacio para sistemas de enfriamiento potentes. Esto da como resultado más calor, lo que a su vez significa menos rendimiento y, por supuesto, componentes que no durarán tanto.

Conclusión

Estamos llegando a un punto donde el El límite no es silicio, es la temperatura. El rendimiento continuará creciendo, pero si no resolvemos este rompecabezas térmico, terminaremos cortando la potencia para evitar que nuestros dispositivos se derritan.