為了解決3D芯片堆疊時的液體冷卻問題，美國國防部先進研究計劃署(DARPA)與IBM、喬治亞理工學院合作展開芯片內/芯片間增強冷卻計劃，如今已經開發(fā)出一種使用絕緣介電質制冷劑(以取代水)的途徑。

負責打造該原型機的研究人員說，這種方法能將制冷劑泵送至整個微流體芯片通道，從而降低了冷卻超級電腦CPU的成本，并經由在每個磊晶之間安全地泵送制冷劑，即使是最厚的3D芯片堆疊內部都能加以冷卻。

DARPA的ICECool計劃采用微流體冷卻基板、芯片或封裝的內部，期望以“嵌入式”熱管理方式克服遠端冷卻的局限。

IBM的華生研究中心首席研究員Tim Chainer說：“我們的原型是一款8核心的Power7超級電腦，背面的微流體通道蝕刻用于散熱，將它與氣冷式Power7超級電腦放在一起比較。所取得的進展降低了25℃的接面溫度[44℉]、功耗更低7%，其冷卻架構也更簡潔。我們還打算使3D芯片可堆疊至任何高度，從而克服摩爾定律(Moore‘s Law)的微縮限制。”Chainer的團隊與蘇黎世的IBM Research研究人員共同合作，同時也獲得了Georgia Tech研究人員的支持。

傳統(tǒng)的空調冷卻方式使用冷空氣和散熱片(頂部)，經證實不如溫水冷卻(中央)，而DARPA ICECool計劃開發(fā)的技術承諾可借由使用介電質蒸氣(底部)，進一步縮減尺寸與成本。

Chainer回顧了多核心架構的轉變如何克服了幾年前處理器的5GHz速度限制。如今，接面溫度可以降低44℉，讓工程師能再次啟動時脈。Chainer說，絕緣介電質冷卻的3D芯片堆疊同樣可以克服摩爾定律的微縮限制。

冷卻具有絕緣介電質流體的3D芯片堆疊時，該絕緣介電質流體沸騰成蒸汽，并從間隔100微米距離的50微米堆疊中提取熱，使裸金屬通孔可在芯片之間運行，如同水冷卻劑一樣形成互連而不至于造成短路。

他說：“我們正生活在電腦創(chuàng)新最激動人心的時刻，這是由于工程師的聰明才智克服了曾經被認為無法逾越的摩爾定律限制。”

借由水冷系統(tǒng)，IBM得以讓資料中心無需再使用空調。但為了ICECool計劃而開發(fā)的絕緣介電質蒸汽系統(tǒng)，也不需要使用冷卻器(右上)和冷卻塔(左上)

在決定采用Honeywell的Solstice Ze R-1234ze之前，IBM評估過十幾種制冷劑，因為制冷劑在室溫下為液體，但在一般的芯片溫度(高達85℃或185℉)時蒸發(fā)，并在蒸發(fā)過程中提取熱量。由于制冷劑在室溫下會返回液態(tài)，所以不需要像傳統(tǒng)冰箱使用的壓縮機。相反地，Solstice Ze R-1234ze只需要通過銅管道線圈(類似于酒精蒸餾器或汽車散熱管)的引導，就能在穿過芯片或從芯片之間返回液體形式。

Honeywell制冷劑也是一種介電質，因此可以在芯片之間泵送，而不需要金屬元件的絕緣，包括矽穿孔(TSV)。微流體通道可以透過單個芯片執(zhí)行，涵蓋全部的3D堆疊芯片。3D芯片堆疊中非腐蝕性制冷劑的最佳使用是將CMOS芯片削薄到50微米厚，并在其間留下100微米的間隙。圍繞邊緣的中空矩形間隔物包含堆疊中的制冷劑，每一側的接頭在一側泵入液體，并在另一側移除其蒸汽。接著，蒸汽通過蒸餾器，讓制冷劑返回液體形式以便泵送回芯片堆疊中。

Chainer說：“我們期望Honeywell、3M等綠色制冷劑制造商能研究和生產適用于半導體產業(yè)的客制化配方，但是，Solstice R-1234ze是目前所能找到的最佳產品。”雖然IBM和Georgia Tech著重于ICECool計劃下的商用高性能電腦上，但Raytheon和波音(Boeing)等公司生產的解決方案可用于防御應用中冷卻雷達裝置和其他超高頻設備。DARPA的計劃在大約四年內完成了目標。如今，IBM、Raytheon和波音正從各自的研究實驗室中，將技術傳遞到制造業(yè)。這些技術預計最快將在2018年之前出現在商用產品和軍事設備中。