جزئیات وبلاگ

1گلو فشنه جدید عصر کامپیوتر: گرما، نه ترانزیستورها

برای چندین دهه، بهبود عملکرد GPU عمدتاً با مقیاس گذاری ترانزیستورها و پیشرفت گره های فرآیند هدایت می شد. با این حال در آموزش هوش مصنوعی امروز، نتیجه گیری،و محاسبات با کارایی بالا (HPC)، GPU ها به یک محدودیت فیزیکی جدید نزدیک می شوند. مدیریت حرارتی به محدودیت غالب تبدیل می شود.

GPU های نسل بعدی، به رهبری NVIDIA، مصرف انرژی یک بسته را از صدها وات به 700 وات و فراتر از آن افزایش داده اند.چگالي قدرت در حال افزایش استدر این مقیاس توانایی استخراج گرمای کارآمد از قالب سیلیکون دیگر یک نگرانی ثانویه نیست، به طور مستقیم فرکانس ساعت را محدود می کند.قابلیت اطمینان، و عمر سیستم.

این تغییر صنعت را مجبور می کند که یک عنصر حیاتی اما اغلب نادیده گرفته شده را تجدید نظر کند: مواد متداول.

2چرا سیلیکون دیگر یک ماده مداخله کننده ایده آل نیست

متداول کننده های سیلیکون مدت ها ستون فقرات فناوری های بسته بندی پیشرفته مانند ادغام 2.5D و CoWoS بوده اند.محبوبیت آنها ناشی از سازگاری لیتوگرافیک عالی و زیرساخت های تولید به خوبی تاسیس شده است.

با این حال، سیلیکون هرگز برای محیط های حرارتی شدید بهینه نشده است:

• رسانایی حرارتی سیلیکون (~ 150 W / m · K) برای دستگاه های منطقی کافی است اما به طور فزاینده ای برای بسته های بسیار قدرتمند کافی نیست.

• تنگه های حرارتی در رابط های متداول و بستر متداول ظاهر می شوند و نقاط داغ محلی را ایجاد می کنند.

• با افزایش تراکم قدرت، متداول های سیلیکونی به انباشت مقاومت حرارتی کمک می کنند و گسترش حرارتی موثر را محدود می کنند.

همانطور که معماری های GPU از طریق چیپلت ها، استیک های HBM و ادغام ناهمگن مقیاس پذیر می شوند، متمایزگر دیگر یک لایه مسیریابی منفعل نیست، بلکه به یک مسیر حرارتی حیاتی تبدیل می شود.

3کربید سیلیکون (SiC): یک ماده طراحی شده برای گرما

کربید سیلیکون(SiC) اساساً با سیلیکون متفاوت است. در اصل برای الکترونیک قدرت بالا و درجه حرارت بالا توسعه یافته است.خواص ذاتی آن به خوبی با نیازهای حرارتی بسته بندی GPU نسل بعدی مطابقت دارد:

• رسانایی حرارتی بالا (معمولاً 370-490 W/m·K) ، بیش از دو برابر سیلیکون

• فاصله باند گسترده و پیوند اتمی قوی، ثبات حرارتی را در دمای بالا امکان پذیر می کند

• عدم تطابق کم گسترش حرارتی با برخی از معماری های دستگاه های قدرت، کاهش استرس ترمو مکانیکی

این ویژگی ها باعث می شود SiC نه تنها یک رسانای بهتر گرما باشد، بلکه یک ماده مدیریت حرارتی از طراحی.

4. متداول های سی سی سی: از پل الکتریکی تا ستون فقرات حرارتی

تغییر مفهومی که توسط متداولین SiC ایجاد شده، ظریف اما عمیق است:
در واقع، این دستگاه دیگر فقط یک اتصال الکتریکی نیست، بلکه به یکلایه فعال انتشار گرما.

در بسته های پیشرفته GPU، متداول های SiC می توانند:

• به سرعت گرما را از قطعات کنترل ولتاژ و قطعات کنترل ولتاژ خارج کنید

• کاهش دمای اوج اتصال با کاهش مقاومت حرارتی کلی

• امکان توزیع یکنواخت تر درجه حرارت در ماژول های چند تراشه

• بهبود قابلیت اطمینان طولانی مدت با کاهش استرس چرخه حرارتی

برای دستگاه های قدرت که در نزدیکی یا درون بسته های GPU یکپارچه شده اند، مانند تنظیم کننده های ولتاژ بسته، این مزیت حرارتی به ویژه قابل توجه است.

5چرا SiC به طور خاص برای دستگاه های قدرت در سیستم های GPU اهمیت دارد

در حالی که گرافیک گرافیک خود یک منبع عمده گرما است، اجزای تحویل قدرت به طور فزاینده ای به پردازنده نزدیک می شوند تا از دست دادن برق را کاهش دهند. این اجزای اغلب تحت:

• چگالی جریان بالا

• فرکانس های سوئیچینگ بالا

• فشار حرارتی مداوم

میراث SiC در الکترونیک قدرت باعث می شود که آن را به طور منحصر به فرد مناسب در اینجا. یک SiC interposer می تواند به طور همزمان حمایت جداسازی الکتریکی، ثبات مکانیکی و جذب گرما کارآمد،ایجاد یک طراحی متوازن ترمی در سطح سیستم.

در این معنا، SiC در همه جا سیلیکون را جایگزین نمی کند، بلکه سیلیکون را در جایی که فیزیک حرارتی عامل محدود کننده می شود، افزایش می دهد.

6چالش های تولید و ادغام

علیرغم مزایایایی که دارند، متداول های سی سی سی جایگزین قطره ای نیستند:

• SiC سخت تر و شکننده تر از سیلیکون است، افزایش پیچیدگی ساخت

• از طریق شکل گیری، پولیش و فلز سازی نیاز به فرآیندهای تخصصی

• هزینه ها در مقایسه با تکنولوژی های پیشرفته سیلیکون بیشتر است

با این حال، به عنوان پوشه های قدرت GPU همچنان در حال رشد است، ناکارآمدی حرارتی گران تر از هزینه مواد می شود.عملکرد در هر وات و افزایش قابلیت اطمینان به طور فزاینده ای راه حل های مبتنی بر SiC را توجیه می کند.

7نگاه به آینده: طراحی حرارتی به عنوان یک محدودیت درجه یک

تکامل GPU های نسل بعدی NVIDIA یک روند گسترده تری در صنعت را برجسته می کند:
طراحی حرارتی دیگر یک فکر بعدی نیست بلکه یک محدودیت معماری اصلی است.

وارد کننده های SiC یک پاسخ در سطح مواد به این چالش را نشان می دهند. آنها فقط خنک کننده بهتر نیستند.آنها استراتژی های بسته بندی جدید را که با واقعیت های چگالی قدرت شدید و ادغام ناهمگن مطابقت دارند، امکان پذیر می کنند..

در سال های آینده، پیشرفته ترین سیستم های GPU ممکن است تنها با گره های فرآیند یا تعداد ترانزیستورها تعریف نشوند، بلکه با چگونگی مدیریت هوشمندانه گرما در هر لایه از بسته.