IBM stapelt chips

Als chips worden gestapeld, bevinden de onderdelen zich dicht bij elkaar. De signalen tussen de chipslagen hoeven dus maar een korte afstand te overbruggen. Want hoewel elektrische signalen zich zeer snel kunnen voortplanten (afhankelijk van de combinatie van geleider en isolatiemateriaal op de chip met een kwart tot een derde van de lichtsnelheid), is bij de hoge klokfrequenties van tegenwoordig een afstand van 5 centimeter al funest. Een signaal is dan te lang onderweg, waardoor de diverse circuits op elkaar moeten wachten en de topsnelheid van de chip niet wordt gehaald.

Een belangrijk voordeel van stapeling is dat dat de energieconsumptie naar beneden kan brengen. “We zien al dat rekencentra een behoorlijke aanslag plegen op de beschikbare energie. Er is elke vijf jaar sprake van een verdubbeling van de voor computers benodigde energie. Als dat zo doorgaat, hebben we over vijftig jaar geen energie meer over als we alle computers hebben aangezet”, zegt professor John R. Thome, hoogleraar Energietechniek aan de EPFL en een van de coördinatoren van CMosaic.

Het stapelen van afzonderlijke chips tot een ruimtelijke structuur is al eerder geprobeerd, maar vaak strandde dat soort projecten bij twee lagen. Zo heeft Intel ooit een plan gehad om een processor direct te koppelen aan een geheugen door de beide onderdelen aan elkaar te solderen. Die aanpak zorgde voor problemen, onder andere vanwege de ongelijke uitzettingscoëfficiënten van de onderdelen. Vooral de afvoer van warmte en in mindere mate het maken van de onderlinge verbindingen bleek problematisch.

Bij het stapelen van meer lagen is het afvoeren van de warmte een groot probleem. Een processor mag best wel heet worden, maar het gaat mis als de schakeling een hogere temperatuur krijgt dan zo’n 85 graden Celsius. De kunst is om beneden die kritieke temperatuur te blijven. IBM en de academische partners hebben hiervoor teruggegrepen op waterkoeling. Door zeer dunne buisjes in de gestapelde chip wordt water gepompt dat de in de chip opgebouwde warmte afvoert. Het blijkt dat water van 60 graden nog voldoende verkoelingsvermogen heeft om de chip op een veilige temperatuur te houden.

De buisjes, microconduits genaamd, worden aangebracht tussen de lagen waaruit de 3D-chip is opgebouwd. Ze transporteren koelwater, dat door de capillaire werking van de dunne (50 micron in diameter) buisjes mede wordt aangezogen. Een vloeistof is een veel beter koelmedium dan lucht. Tussen de twee zit een verschil van een factor 4000 als het gaat om het opnemen en weer afstaan van hitte.

Het Belgische chipslab IMEC te Leuven heeft al in 2008 een eerste werkende 3D-chip gemaakt, ook door het stapelen van afzonderlijke plakjes silicium met circuits erop. “Daarmee hebben we bewezen dat het mogelijk is om zo een chip te maken. Het vormde de aansporing voor het bedrijfsleven om ons voorbeeld te volgen met de eigen circuits”, zegt Eric Beyne, Scientific Director for 3D Technologies bij IMEC.

Bij 3D-chips gaat het soms ook om een noodzaak die wordt ingegeven door ruimtegebrek. Zo bevat de iPhone al enkele van die chips, puur omdat er op de hoofdprint geen vierkante millimeter meer over is. Dr. Patrick de Jager, business developer High Tech Systems bij TNO, stelt: “Compacte structuren met gestapelde ic’s zijn erg aantrekkelijk voor hightech elektronica-industrieën als Apple en Nokia.”