Bloggegevens

1De nieuwe knelpunt van het tijdperk van de computer: warmte, geen transistors

Gedurende decennia werden GPU-prestatieverbeteringen voornamelijk aangedreven door transistor-scaling en vooruitgang op het gebied van procesnodes.en high-performance computing (HPC) werklastenIn de eerste plaats is het mogelijk dat de GPU's een nieuwe fysieke grens naderen.

GPU's van de volgende generatie, onder leiding van NVIDIA, hebben het energieverbruik van een enkel pakket van honderden watten naar 700 W en verder gebracht.De krachtdichtheid blijft stijgen.In deze schaal is het vermogen om warmte efficiënt uit de siliciumster niet langer een secundair probleem, het beperkt rechtstreeks de klokfrequentie.betrouwbaarheid, en de levensduur van het systeem.

Deze verschuiving dwingt de industrie om een cruciaal, maar vaak over het hoofd gezien onderdeel te heroverwegen: het interposermateriaal.

2Waarom silicium niet langer een ideaal tussenliggende materiaal is

Silicon interposers zijn al lang de ruggengraat van geavanceerde verpakkingstechnologieën zoals 2.5D-integratie en CoWoS.Hun populariteit is te danken aan de uitstekende lithografische compatibiliteit en de gevestigde productie-infrastructuur..

Silicium werd echter nooit geoptimaliseerd voor extreme thermische omgevingen:

• De thermische geleidbaarheid van silicium (~ 150 W/m·K) is voldoende voor logische apparaten, maar steeds onvoldoende voor ultra-hoge vermogenspakketten.

• Er ontstaan thermische knelpunten op de interfaces tussen de matras en het substraat, waardoor lokale hotspots ontstaan.

• Naarmate de vermogendichtheid toeneemt, dragen siliciuminterposers bij aan het opstapelen van thermische weerstand, waardoor de effectieve warmteverspreiding wordt beperkt.

Als GPU-architecturen schalen door chiplets, HBM-stacks en heterogene integratie, is de interposer niet langer een passieve routelaag, het wordt een kritische thermische weg.

3Siliciumcarbide (SiC): een materiaal dat is ontworpen voor warmte

Siliciumcarbide(SiC) is fundamenteel verschillend van silicium.zijn intrinsieke eigenschappen zijn opmerkelijk goed afgestemd op de thermische eisen van GPU-verpakkingen van de volgende generatie:

• Hoge thermische geleidbaarheid (typisch 370-490 W/m·K), meer dan tweemaal die van silicium

• Een brede bandbreedte en een sterke atoombinding zorgen voor thermische stabiliteit bij hoge temperaturen

• Een lage thermische uitbreidingsverschil met bepaalde architecturen van vermogenstoestellen, waardoor de thermo-mechanische spanning wordt verminderd

Deze eigenschappen maken SiC niet alleen een betere warmtegeleider, maar ook een materiaal voor thermisch beheer.

4. SiC-interposers: van elektrische brug tot thermische ruggengraat

De conceptuele verschuiving door SiC-interposers is subtiel maar diepgaand:
de interposer is niet langer alleen een elektrische interconnector, het wordt eenactief warmteverspreidende laag.

In geavanceerde GPU-pakketten kunnen SiC-interposers:

• Snel warmte afleiden van hoogvermogen logische dies en spanningsregulatie componenten

• Verminder de piektemperatuur van de verbinding door de totale thermische weerstand te verlagen

• Het mogelijk maken van een gelijkmatigere temperatuurverdeling over multichipmodules

• Verbetering van de betrouwbaarheid op lange termijn door vermindering van de thermische cyclusstress

Voor energie-apparaten die in de buurt of binnen GPU-pakketten zijn geïntegreerd, zoals ingebouwde spanningsregulatoren, is dit thermische voordeel bijzonder belangrijk.

5Waarom SiC specifiek van belang is voor stroomapparaten in GPU-systemen

Hoewel de GPU zelf een belangrijke warmtebron is, worden de energieleveringcomponenten steeds dichter bij de processor geïntegreerd om elektrische verliezen te verminderen.

• Hoge stroomdichtheid

• Verhoogde schakelfrequenties

• Continu thermische spanning

Een SiC-interposer kan tegelijkertijd elektrische isolatie, mechanische stabiliteit en efficiënte warmte-extractie ondersteunen.het creëren van een thermologisch evenwichtiger systeemontwerp.

In die zin vervangt SiC niet overal silicium, maar vergroot het silicium waar thermische fysica de beperkende factor wordt.

6. Uitdagingen op het gebied van productie en integratie

Ondanks de voordelen zijn SiC-interposers geen drop-in vervanger:

• SiC is harder en brooser dan silicium, waardoor de fabricage complexer wordt

• Door middel van vorming, polijsten en metalliseren vereisen gespecialiseerde processen

• De kosten blijven hoger in vergelijking met de volwassen siliciuminterposertechnologie

Maar naarmate de GPU-vermogens blijven groeien, wordt thermische inefficiëntie duurder dan de materiaalkosten.de prestaties per watt en de betrouwbaarheidsgewinnen rechtvaardigen steeds meer de invoering van op SiC gebaseerde oplossingen.

7De toekomst: thermisch ontwerp als eerste klas beperking

De evolutie van NVIDIA's GPU's van de volgende generatie benadrukt een bredere trend in de industrie:
Het thermische ontwerp is niet langer een achterafdaden, het is een primaire architectonische beperking.

SiC-interposers vormen een materiaalniveau-respons op deze uitdaging.De nieuwe verpakkingsstrategieën zijn afgestemd op de realiteit van extreme vermogendichtheid en heterogene integratie..

In de komende jaren zullen de meest geavanceerde GPU-systemen misschien niet alleen worden gedefinieerd door procesknopen of transistorgetallen, maar door hoe intelligent ze warmte beheersen op elke laag van het pakket.