Blog Ayrıntıları

1Bilgisayar Çağının Yeni Boğazı: Transistörler Değil, Isı

On yıllar boyunca, GPU performansının iyileştirilmesi öncelikle transistör ölçeklendirme ve işlem düğümlerinin ilerlemesi ile yönlendirildi.ve yüksek performanslı hesaplama (HPC) iş yükleri, GPU'lar yeni bir fiziksel sınırına yaklaşıyor ısı yönetimi baskın kısıtlama haline geliyor.

NVIDIA liderliğindeki yeni nesil GPU'lar, tek paket güç tüketimini yüzlerce watt'tan 700 W'a ve ötesine yükseltti.Güç yoğunluğu artmaya devam ediyor.Bu ölçekte, silikon ölçekten ısıyı verimli bir şekilde çıkarma yeteneği artık ikinci derecede bir endişe değil, saat frekansını doğrudan sınırlıyor.güvenilirlik, ve sistem ömrü.

Bu değişim endüstrinin kritik ama sıklıkla göz ardı edilen bir bileşeni yeniden düşünmesini zorluyor: ara malzeme.

2Silikon Neden Artık İdeal Bir Aracı Malzemesi Değil

Silikon aralayıcılar, 2.5D entegrasyonu ve CoWoS gibi gelişmiş ambalajlama teknolojilerinin omurgası olmuştur.Popülerlikleri mükemmel litografik uyumluluk ve iyi kurulmuş üretim altyapısı ile kaynaklanır..

Bununla birlikte, silikon asla aşırı termal ortamlar için optimize edilmemiştir:

• Silikonun ısı iletkenliği (~ 150 W/m·K) mantıksal cihazlar için yeterlidir, ancak son derece yüksek güçlü paketler için giderek yetersizdir.

• Termal sıkışıklıklar, yerel sıcak noktalar oluşturan döşeme “interposer” ve “interposer” substrat arayüzlerinde ortaya çıkar.

• Güç yoğunluğu arttıkça, silikon girişimciler, etkili ısı yayılmasını sınırlayan termal direnç yığılmasına katkıda bulunur.

GPU mimarileri, chiplets, HBM yığınları ve heterojen entegrasyon üzerinden ölçeklendikçe, aralayıcı artık pasif bir yönlendirme katmanı değildir, kritik bir termal yol haline gelir.

3Silikon Karbid (SiC): Isı için tasarlanmış bir malzeme

Silikon karbid(SiC) silikondan temelde farklıdır.İçsel özellikleri, bir sonraki nesil GPU ambalajının termal gereksinimleriyle oldukça iyi uyum içindedir.:

• Yüksek termal iletkenlik (tipik olarak 370 ∼490 W/m·K), silikon'un iki katından fazla

• Geniş bant aralığı ve güçlü atom bağları, yüksek sıcaklıklarda termal istikrar sağlar

• Bazı güç cihazı mimarileri ile düşük termal genişleme uyumsuzluğu, termomekanik stresini azaltır

Bu özellikler SiC'yi sadece daha iyi bir ısı ileticisi değil, aynı zamanda tasarlandığından itibaren termal yönetim malzemesi haline getiriyor.

4. SiC Aracıları: Elektrik Köprüsünden Termal Omurga'ya

SiC'nin ortaya koyduğu kavramsal değişim ince ama derin:
Arayıcı artık sadece bir elektrik bağlantısı değil.aktif ısı yayıcı katman.

Gelişmiş GPU paketlerinde, SiC müdahalecileri şunları yapabilir:

• Yüksek güçlü mantıksal ölçeklerden ve voltaj düzenleme bileşenlerinden hızlı bir şekilde ısı geçir

• Toplam ısı direncini düşürerek zirve bağlantı sıcaklıklarını azaltmak

• Çoklu çipli modüller arasında daha eşit sıcaklık dağılımını mümkün kıl

• Sıcaklık döngüsü stresini azaltarak uzun vadeli güvenilirliği artırmak

GPU paketlerinin yakınında veya içinde entegre edilen güç cihazları için, paket içi voltaj düzenleyicileri gibi, bu termal avantaj özellikle önemlidir.

5. Neden SiC GPU Sistemlerindeki Güç Aygıtları için Önemlidir

GPU ölçeği kendisinin önemli bir ısı kaynağı olmasına rağmen, güç dağıtım bileşenleri elektrik kaybını azaltmak için işlemciye giderek daha yakın entegre edilir.

• Yüksek akım yoğunluğu

• Yüksek anahtarlama frekansları

• Sürekli termal stres

SiC'nin güç elektroniklerinde sahip olduğu geçmiş, onu burada eşsiz bir şekilde uygun kılar.daha ısısal dengelenmiş bir sistem düzeyinde tasarım oluşturmak.

Bu anlamda, SiC her yerde silikonun yerini almaz, termal fiziğin sınırlayıcı faktör haline geldiği yerde silikonu artırır.

6Üretim ve Entegrasyon Zorlukları

Avantajlarına rağmen, SiC aralayıcıları bir drop-in yedek değildir:

• SiC silikondan daha sert ve kırılgan, üretim karmaşıklığını arttırır

• Formasyon, cilalama ve metalleşme için özel işlemler gerekir

• Maliyet olgun silikon aralama teknolojisiyle karşılaştırıldığında daha yüksek kalıyor

Bununla birlikte, GPU güç zarfları büyümeye devam ettikçe, termal verimsizlik malzeme maliyetinden daha pahalı hale geliyor.Watt başına performans ve güvenilirlik kazançları giderek SiC tabanlı çözümlerin benimsenmesini haklı çıkarıyor.

7Geleceğe Bakmak: Birinci Sınıf Bir Sınırlama Olarak Termal Tasarım

NVIDIA'nın yeni nesil GPU'larının evrimi, daha geniş bir endüstri eğilimini vurguluyor:
Termal tasarım artık bir son düşünce değil, birincil mimari kısıtlama.

SiC aralayıcıları, bu zorluğa malzeme düzeyinde bir yanıt sunmaktadır.Ekstrem güç yoğunluğu ve heterojen entegrasyon gerçekleriyle uyumlu yeni ambalajlama stratejilerini sağlarlar..

Önümüzdeki yıllarda, en gelişmiş GPU sistemleri yalnızca işlem düğümleri veya transistör sayıları ile değil, paketin her katmanında ısıyı ne kadar akıllı bir şekilde yönettikleriyle tanımlanabilir.