El Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) ha desarrollado un chip especializado para probar y validar soluciones de refrigeración para pilas de chips encapsulados. Al integrarse en una pila, el chip permitirá a los investigadores estudiar cómo se desplaza el calor a través de las capas y evaluar los avances en su refrigeración.
El chip de referencia se utiliza actualmente en HRL Laboratories en el desarrollo de sistemas de refrigeración para sistemas integrados heterogéneos 3D (3DHI). La integración heterogénea se refiere al apilamiento de chips de silicio con chips no fabricados con silicio, como los semiconductores III-V utilizados en sistemas de radiofrecuencia (RF).
El chip cumple dos funciones: generar calor y detectar la temperatura. Para generar calor, el equipo diseñó unos circuitos capaces de operar a densidades de potencia muy altas, en el rango de kilovatios por centímetro cuadrado, comparables a las demandas de potencia proyectadas de los chips de alto rendimiento actuales y futuros. También replicaron el diseño de los circuitos en dichos chips, lo que permitió que el chip de prueba sirviera como un sustituto realista.
Los investigadores adaptaron su tecnología de silicio existente para diseñar, básicamente, calentadores a escala de chip. Los calentadores del chip emulan tanto los niveles de calor de fondo dentro de una pila como los puntos calientes localizados.
Sensores de temperatura
Estos puntos calientes suelen aparecer en las zonas más ocultas e inaccesibles de una pila de chips, lo que dificulta a los desarrolladores de chips 3D evaluar si los sistemas de refrigeración, como los microcanales que suministran líquido frío, llegan a dichos puntos y son lo suficientemente eficaces.
Ahí es donde entran en juego los sensores de temperatura. En el chip se han distribuido ‘pequeños termómetros’ que leen la temperatura en varios puntos del chip a medida que se aplican los refrigerantes. Estos termómetros son en realidad diodos o interruptores que permiten el flujo de corriente a través de un circuito al aplicar voltaje.
A medida que los diodos se calientan, la relación corriente-voltaje cambia. De esta forma, se puede comprobar el rendimiento de un diodo y saber, por ejemplo, si está a 200°C, 100°C o 50°C.