麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一款專用芯片，用于測(cè)試和驗(yàn)證封裝芯片堆棧的冷卻解決方案。

隨著對(duì)更強(qiáng)大、更高效的微電子系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，業(yè)界正轉(zhuǎn)向 3D 集成——將芯片堆疊在一起。這種垂直分層的架構(gòu)可以將高性能處理器（例如用于人工智能的處理器）與其他用于通信或成像的高度專業(yè)化的芯片緊密封裝在一起。但世界各地的技術(shù)人員都面臨著一個(gè)重大挑戰(zhàn)：如何防止這些堆疊芯片過(guò)熱。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一款專用芯片，用于測(cè)試和驗(yàn)證封裝芯片堆棧的冷卻解決方案。該芯片能夠消耗極高的功率，模擬高性能邏輯芯片，通過(guò)硅層和局部熱點(diǎn)產(chǎn)生熱量。然后，當(dāng)冷卻技術(shù)應(yīng)用于封裝芯片堆棧時(shí)，該芯片會(huì)測(cè)量溫度變化。當(dāng)芯片被嵌入芯片堆棧中時(shí)，研究人員可以研究熱量如何在堆棧層中移動(dòng)，并對(duì)保持芯片冷卻的進(jìn)展進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

「如果你只有一塊芯片，你可以從上方或下方進(jìn)行冷卻。但如果你開(kāi)始將多個(gè)芯片堆疊在一起，熱量就無(wú)處散發(fā)了。目前還沒(méi)有冷卻方法可以讓業(yè)界堆疊多個(gè)如此高性能的芯片，」Chenson Chen 說(shuō)道，他與 Ryan Keech 共同領(lǐng)導(dǎo)了該芯片的開(kāi)發(fā)，兩人都來(lái)自該實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)材料和微系統(tǒng)組。

該基準(zhǔn)芯片目前正由波音公司和通用汽車共同擁有的研發(fā)公司 HRL 實(shí)驗(yàn)室使用，用于開(kāi)發(fā)用于 3D 異質(zhì)集成（3DHI）系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。異質(zhì)集成是指將硅芯片與非硅芯片（例如射頻（RF）系統(tǒng)中使用的 III-V 族半導(dǎo)體）堆疊在一起。

「射頻元件會(huì)變得非常熱，并且在非常高的功率下運(yùn)行——這給 3D 集成增加了額外的復(fù)雜性，這就是為什么如此需要這種測(cè)試能力，」Keech 說(shuō)。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 資助了該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基準(zhǔn)測(cè)試芯片，以支持 HRL 項(xiàng)目。所有這些研究都源自 DARPA 的「用于 3D 異構(gòu)集成的微型集成熱管理系統(tǒng) (Minitherms3D )」項(xiàng)目。

對(duì)于國(guó)防部而言，3DHI 為關(guān)鍵系統(tǒng)開(kāi)辟了新的機(jī)遇。例如，3DHI 可以擴(kuò)大雷達(dá)和通信系統(tǒng)的探測(cè)范圍，使先進(jìn)傳感器能夠集成到無(wú)人駕駛飛機(jī)等小型平臺(tái)上，或者允許人工智能數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)（而非遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心）中進(jìn)行處理。

該測(cè)試芯片是由該實(shí)驗(yàn)室的電路設(shè)計(jì)師、電氣測(cè)試專家和微電子實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員合作開(kāi)發(fā)的。

該芯片具有兩個(gè)功能：產(chǎn)生熱量和感測(cè)溫度。為了產(chǎn)生熱量，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能夠在極高功率密度下運(yùn)行的電路，功率密度達(dá)到千瓦/平方厘米，與當(dāng)前及未來(lái)高性能芯片的預(yù)計(jì)功率需求相當(dāng)。他們還復(fù)制了這些芯片中的電路布局，使測(cè)試芯片可以作為替代品。

「我們調(diào)整了現(xiàn)有的硅技術(shù)，主要用來(lái)設(shè)計(jì)芯片級(jí)加熱器，」陳教授說(shuō)道。他為該項(xiàng)目帶來(lái)了多年的復(fù)雜集成和芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。21 世紀(jì)初，他幫助實(shí)驗(yàn)室率先制造了雙層和三層集成電路，引領(lǐng)了 3D 集成的早期發(fā)展。

芯片的加熱器模擬了堆棧內(nèi)的背景熱量水平和局部熱點(diǎn)。熱點(diǎn)通常出現(xiàn)在芯片堆棧最隱蔽、最難以觸及的區(qū)域，這使得 3D 芯片開(kāi)發(fā)人員難以評(píng)估冷卻方案（例如輸送冷液的微通道）是否能夠到達(dá)這些位置，并且是否足夠有效。

這就是溫度傳感元件的作用所在。芯片上分布著「微型溫度計(jì)」，當(dāng)使用冷卻劑時(shí)，這些元件可以讀出芯片上多個(gè)位置的溫度。

這些溫度計(jì)實(shí)際上是二極管，或者說(shuō)是開(kāi)關(guān)，當(dāng)施加電壓時(shí)，電流會(huì)流過(guò)電路。隨著二極管升溫，電流電壓比會(huì)發(fā)生變化?！肝覀兛梢詸z查二極管的性能，例如知道溫度是 200 攝氏度、100 攝氏度還是 50 攝氏度，」Keech 說(shuō)?！肝覀儎?chuàng)造性地思考了設(shè)備過(guò)熱失效的原因，然后利用這些特性設(shè)計(jì)出實(shí)用的測(cè)量工具。」

Chen 和 Keech，以及實(shí)驗(yàn)室其他設(shè)計(jì)、制造和電氣測(cè)試專家，目前正與 HRL 實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，將芯片與新型冷卻技術(shù)相結(jié)合，并將這些技術(shù)集成到 3DHI 堆棧中，以增強(qiáng)射頻信號(hào)功率。HRL 聯(lián)合首席研究員 Christopher Roper 在最近宣布該項(xiàng)目的新聞稿中表示：「我們需要冷卻相當(dāng)于 190 多個(gè)筆記本電腦 CPU（中央處理器）的熱量，但尺寸要與單個(gè) CPU 封裝相同?！?/p>

Keech 表示，快速交付芯片的時(shí)間表是通過(guò)芯片設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和 3D 異構(gòu)集成等各個(gè)階段的團(tuán)隊(duì)合作克服的挑戰(zhàn)。

他說(shuō)：「堆疊架構(gòu)被認(rèn)為是微電子技術(shù)的下一個(gè)前沿。我們希望幫助美國(guó)政府找到有效整合這些架構(gòu)的方法，并讓這些芯片發(fā)揮出最高的性能。」

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在 3 月 17 日至 20 日舉行的年度政府微電路應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)會(huì)議（GOMACTech）上展示了這項(xiàng)工作。