À medida que cresce a demanda por sistemas microeletrônicos mais potentes e eficientes, a indústria está se voltando para a integração 3D — empilhando chips uns sobre os outros. Essa arquitetura em camadas verticais pode permitir que processadores de alto desempenho, como os usados para inteligência artificial, sejam empacotados em conjunto com outros chips altamente especializados para comunicação ou geração de imagens. Mas tecnólogos em todos os lugares enfrentam um grande desafio: como evitar o superaquecimento dessas pilhas.

Agora, o Laboratório Lincoln do MIT desenvolveu um chip especializado para testar e validar soluções de resfriamento para pilhas de chips encapsuladas. O chip dissipa potência extremamente alta, imitando chips lógicos de alto desempenho, para gerar calor através da camada de silício e em pontos quentes localizados. À medida que as tecnologias de resfriamento são aplicadas à pilha encapsulada, o chip mede as variações de temperatura. Quando inserido em uma pilha, o chip permitirá que os pesquisadores estudem como o calor se move através das camadas da pilha e comparem o progresso em mantê-las resfriadas. 

"Se você tiver apenas um chip, poderá resfriá-lo por cima ou por baixo. Mas se você começar a empilhar vários chips uns sobre os outros, o calor não terá para onde escapar. Não existem métodos de resfriamento hoje que permitam à indústria empilhar múltiplos desses chips de altíssimo desempenho", diz Chenson Chen, que liderou o desenvolvimento do chip com Ryan Keech, ambos do  Grupo de Materiais Avançados e Microssistemas do laboratório.

O chip de benchmarking está sendo usado atualmente na HRL Laboratories, uma empresa de pesquisa e desenvolvimento de propriedade conjunta da Boeing e da General Motors, no desenvolvimento de sistemas de resfriamento para sistemas 3D integrados heterogêneos (3DHI). Integração heterogênea refere-se ao empilhamento de chips de silício com chips sem silício, como semicondutores III-V usados em sistemas de radiofrequência (RF).   

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) financiou o desenvolvimento do chip de benchmarking pelo laboratório para apoiar o programa HRL. Toda essa pesquisa provém do programa Sistemas Integrados de Gerenciamento Térmico em Miniatura para Integração Heterogênea 3D ( Minitherms3D ) da DARPA.

Para o Departamento de Defesa, o 3DHI abre novas oportunidades para sistemas críticos. Por exemplo, o 3DHI poderia aumentar o alcance de sistemas de radar e comunicação, permitir a integração de sensores avançados em pequenas plataformas, como veículos aéreos não tripulados, ou permitir que dados de inteligência artificial sejam processados diretamente em sistemas de campo, em vez de centros de dados remotos.

O chip de teste foi desenvolvido por meio da colaboração entre projetistas de circuitos, especialistas em testes elétricos e técnicos do  Laboratório de Microeletrônica do laboratório. 

O chip tem duas funções: gerar calor e detectar temperatura. Para gerar calor, a equipe projetou circuitos que podiam operar em densidades de potência muito altas, na faixa de quilowatts por centímetro quadrado, comparáveis às demandas de potência projetadas para chips de alto desempenho hoje e no futuro. Eles também replicaram o layout dos circuitos nesses chips, permitindo que o chip de teste servisse como um substituto realista. 

"Adaptamos nossa tecnologia de silício existente para projetar essencialmente aquecedores em escala de chip", diz Chen, que traz anos de experiência em integração complexa e design de chips para o programa. Na década de 2000, ele ajudou o laboratório a ser pioneiro na fabricação de circuitos integrados de duas e três camadas, liderando o desenvolvimento inicial da integração 3D.

Os aquecedores do chip emulam tanto os níveis de calor de fundo dentro de uma pilha quanto pontos quentes localizados. Os pontos quentes geralmente ocorrem nas áreas mais enterradas e inacessíveis de uma pilha de chips, dificultando para os desenvolvedores de chips 3D avaliar se os esquemas de resfriamento, como microcanais que fornecem líquido frio, estão alcançando esses pontos e são suficientemente eficazes.

É aí que entram os elementos sensores de temperatura. O chip é distribuído com o que Chen compara a "pequenos termômetros" que leem a temperatura em vários locais do chip à medida que os refrigerantes são aplicados.

Esses termômetros são, na verdade, diodos, ou interruptores que permitem que a corrente flua através de um circuito à medida que a tensão é aplicada. À medida que os diodos aquecem, a relação corrente-tensão muda. "Conseguimos verificar o desempenho de um diodo e saber se ele está a 200 °C, 100 °C ou 50 °C, por exemplo", diz Keech. "Pensamos criativamente sobre como os dispositivos poderiam falhar devido ao superaquecimento e, em seguida, usamos essas mesmas propriedades para projetar ferramentas de medição úteis."

Chen e Keech — juntamente com outros especialistas em design, fabricação e testes elétricos do laboratório — estão agora colaborando com pesquisadores do HRL Laboratories para acoplar o chip a novas tecnologias de resfriamento e integrá-las a uma pilha 3DHI que poderia aumentar a potência do sinal de RF. "Precisamos resfriar o equivalente em calor a mais de 190 CPUs de laptop [unidades centrais de processamento], mas no tamanho de um único pacote de CPU", disse Christopher Roper, copesquisador principal do HRL, em um recente  comunicado à imprensa  anunciando o programa.

De acordo com Keech, o cronograma rápido para entrega do chip foi um desafio superado pelo trabalho em equipe em todas as fases de design, fabricação, teste e integração heterogênea 3D do chip.

"Arquiteturas empilhadas são consideradas a próxima fronteira da microeletrônica", afirma. "Queremos ajudar o governo dos EUA a encontrar maneiras de integrá-las de forma eficaz e permitir o mais alto desempenho possível para esses chips."

A equipe do laboratório apresentou este trabalho na Conferência Anual de Aplicações de Microcircuitos do Governo e Tecnologia Crítica ( GOMACTech) , realizada de 17 a 20 de março.