De X3D-processors van AMD vertegenwoordigen het eerste voorbeeld van gestapelde chipontwerpen die momenteel beschikbaar zijn op de markt. Naast het gestapelde ontwerp en de chiplet-opbouw van de processor wordt verwacht dat deze technologie in de toekomst vaker zal worden toegepast. Het biedt ruimtebesparing en kortere communicatieafstanden, maar het brengt ook uitdagingen met zich mee, met name op het gebied van koeling. Chips in gestapelde ontwerpen zijn namelijk moeilijker te koelen vanwege beperktere warmteafvoer. Daarom onderzoekt TSMC momenteel materialen zoals diamant of aluminiumnitride die een betere warmteafvoer kunnen mogelijk maken.
Voorbeeld van mogelijkheden met gestacked chips - bron: AMD
Het probleem met de huidige koelmaterialen is dat ze vaak goede elektrische geleiders zijn. Voor het isoleren van verschillende lagen binnen een chip is dit niet ideaal. De huidige oplossing om thermische kanalen te maken met aparte circuits, meestal van koper, kost echter ruimte die anders voor de chip zelf gebruikt zou kunnen worden. Bovendien kunnen deze koperen paden voor warmtegeleiding storingen veroorzaken, wat problematisch is in chipontwerpen.
Links: warmte afvoer met koper - Rechts: warmte afvoer met beter geleidende materialen
Aluminiumnitride en diamant worden overwogen als mogelijke materialen tussen de lagen in chips. Aluminiumnitride kan worden toegepast via physical vapor deposition, een proces dat vaak wordt gebruikt in de productie van halfgeleiders. De maximale thermische geleidbaarheid is 320 W/mK, vergelijkbaar met die van koper. Echter, bij dunne films zoals gebruikt in halfgeleiders, daalt deze waarde aanzienlijk. Diamant heeft een veel hogere thermische geleidbaarheid van 2,200 W/mK, maar het fabricageproces is nog niet volwassen.
De relatie tussen de thermische geleidbaarheid en de dikte van het Aluminiumnitride
Het fabricageproces van diamant via Chemical Vapor Deposition is nog niet volwassen, omdat de individuele kristalsecties niet gelijkmatig groeien vanwege de hardheid van het materiaal. Dit beperkt momenteel de toepasbaarheid tot specifieke gebieden op de chip. TSMC suggereert dat zowel aluminiumnitride als diamant goede warmtegeleiders kunnen zijn in gestapelde chipontwerpen. Simulaties laten een verlaging van meerdere kelvins zien, wat de mogelijkheid biedt om chips mogelijk op hogere snelheden te laten werken. Echter, het zal nog enige tijd duren voordat deze nieuwe materialen in de praktijk kunnen worden toegepast. TSMC heeft nog geen specifieke planning aangekondigd voor het gebruik van deze nieuwe materialen.
Bron: PCGH
