ตลอดหลายทศวรรษ การปรับปรุงผลการทํางานของ GPU เป็นหลักโดยการปรับขนาดทรานซิสเตอร์และความก้าวหน้าของหน่วยกระบวนการและภาระงานคอมพิวเตอร์ความสามารถสูง (HPC), GPUs กําลังเข้าใกล้กับขีดจํากัดทางกายภาพใหม่ การจัดการทางความร้อนกําลังกลายเป็นข้อจํากัดหลัก
GPUs รุ่นใหม่ นําโดย NVIDIA ได้ผลักดันการบริโภคพลังงานของแพคเกจเดียว จากร้อยๆ วัตต์ เป็น 700 วัตต์ และมากกว่าความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆในขนาดนี้ ความสามารถในการดึงดูดความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจากซิลิคอน die ไม่ได้เป็นปัญหาที่สองอีกต่อไปความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของระบบ
การเปลี่ยนแปลงนี้บังคับให้อุตสาหกรรมพิจารณาใหม่องค์ประกอบสําคัญ แต่มักถูกมองข้าม
เครื่องวางซิลิคอนเป็นกระดูกสันหลังของเทคโนโลยีการบรรจุสินค้าที่ก้าวหน้า เช่น การบูรณาการ 2.5D และ CoWoSความนิยมของพวกเขามาจากความสอดคล้องที่ดีของลิโตกราฟิคและพื้นฐานการผลิตที่มั่นคง.
อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนไม่เคยถูกปรับปรุงให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมความร้อนที่รุนแรง
ความสามารถในการนําความร้อนของซิลิคอน (~ 150 W / m · K) เหมาะสมสําหรับอุปกรณ์โลจิก แต่ไม่เพียงพอต่อเนื่องสําหรับแพคเกจพลังงานสูงสุด
ความหนาแน่นทางอุณหภูมิปรากฏที่อินเตอร์เฟซของ die หนาแน่นและ substrate หนาแน่น, สร้างจุดร้อนในพื้นที่
เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น เครื่องวางซิลิคอนจะส่งผลให้ความต้านทานทางความร้อนสะสมกัน โดยจํากัดการแพร่กระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ
เมื่อสถาปัตยกรรม GPU ขยายขนาดผ่าน chiplets, HBM stacks และการบูรณาการแบบไม่เหมือนกัน, interposer ไม่เป็น layer routing ที่ไม่ทํางานอีกต่อไป มันกลายเป็นเส้นทางความร้อนที่สําคัญ
ซิลิคอนคาร์ไบด์(SiC) ต่างกันจากซิลิคอน โดยพื้นฐาน มันถูกพัฒนาขึ้นสําหรับอิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงและอุณหภูมิสูงคุณสมบัติภายในของมันตรงกันอย่างดีกับความต้องการทางความร้อนของ GPU แพคเกจรุ่นต่อไป:
ความสามารถในการนําความร้อนสูง (โดยทั่วไป 370-490 W/m·K) มากกว่าสองเท่าของซิลิคอน
ช่องแดนกว้างและการผูกพันอะตอมที่แข็งแรง ทําให้มีความมั่นคงทางความร้อนในอุณหภูมิสูง
ความแตกต่างในการขยายความร้อนที่ต่ํากับสถาปัตยกรรมอุปกรณ์พลังงานบางอย่าง ลดความเครียดทางอุณหภูมิ
คุณลักษณะเหล่านี้ทําให้ SiC ไม่เพียงแค่นําความร้อนที่ดีกว่า แต่เป็นวัสดุจัดการความร้อนโดยการออกแบบ
การเปลี่ยนแปลงทางแนวคิดที่นํามาโดย SiC interposers เป็นอ่อนแอ แต่ลึก:
ผ่าตัดไม่ได้เป็นเพียงแค่การเชื่อมต่อไฟฟ้าชั้นกระจายความร้อน.
ในแพคเกจ GPU ที่ก้าวหน้า SiC interposers สามารถ:
เร็วนําความร้อนออกไปจากแรงสูง logical dies และส่วนประกอบการควบคุมแรงดัน
ลดอุณหภูมิจุดเชื่อมสูงสุดโดยลดความต้านทานความร้อนโดยรวม
ทําให้การกระจายอุณหภูมิที่เท่าเทียมกันมากกว่าในโมดูลหลายชิป
ปรับปรุงความน่าเชื่อถือในระยะยาวโดยลดความเครียดในการหมุนเวียนความร้อน
สําหรับอุปกรณ์พลังงานที่บูรณาการอยู่ใกล้หรือภายในแพ็คเกจ GPU เช่น ระบบควบคุมความดันในแพ็คเกจ ข้อดีทางความร้อนนี้มีความสําคัญเป็นพิเศษ
ขณะที่ GPU ตัวเองเป็นแหล่งความร้อนหลัก ส่วนประกอบการจัดส่งพลังงานถูกบูรณาการมากขึ้นใกล้เคียงกับโปรเซสเซอร์เพื่อลดการสูญเสียไฟฟ้า ส่วนประกอบเหล่านี้มักทํางานภายใต้:
ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง
ความถี่การสลับที่สูงขึ้น
ความเครียดทางความร้อนต่อเนื่อง
SiC ผ่านมรดกในอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน ทําให้มันเหมาะสมอย่างพิเศษที่นี่สร้างการออกแบบ ระดับระบบที่สมดุลทางความร้อนมากขึ้น.
ในความหมายนี้ SiC ไม่ได้ "แทนที่" ซิลิคอนทุกที่ มันเพิ่มซิลิคอนที่ฟิสิกส์ความร้อนกลายเป็นปัจจัยจํากัด
ถึงแม้ว่าจะมีข้อดีก็ตาม เครื่องวาง SiC ไม่ได้เป็นตัวแทน
SiC แข็งแกร่งและเปราะบางกว่าซิลิคอน ทําให้การผลิตซับซ้อนมากขึ้น
ผ่าน การ สร้าง, การ สะบัด, และ การ ทําโลหะ ต้องการ กระบวนการ ที่ มี ความ พิเศษ
ค่าใช้จ่ายยังคงสูงกว่าเทคโนโลยีซิลิคอน
อย่างไรก็ตาม ในขณะที่พลังงานของ GPU เติบโตต่อไป ความไม่ประสิทธิภาพทางความร้อนจะแพงกว่าค่าใช้จ่ายของวัสดุ สําหรับเครื่องเร่ง AI ระดับสูงผลประกอบต่อวัตต์และการเพิ่มความน่าเชื่อถือชี้แจงการนํามาใช้วิธีแก้ไขที่ใช้ SiC.
วิวัฒนาการของ GPU รุ่นใหม่ของ NVIDIA ได้เน้นแนวโน้มในอุตสาหกรรมที่กว้างกว่า
การออกแบบอุณหภูมิ ไม่ได้เป็นเรื่องที่คิดมาอีกแล้ว มันเป็นข้อจํากัดหลักของสถาปัตยกรรม
SiC interposers เป็นการตอบสนองในระดับวัสดุกับความท้าทายนี้มันทําให้กลยุทธ์การบรรจุภัณฑ์ใหม่ที่สอดคล้องกับความเป็นจริงของความหนาแน่นของพลังงานและการบูรณาการที่ไม่เหมือนกัน.
ในช่วงปีข้างหน้า ระบบ GPU ที่ทันสมัยที่สุดอาจจะไม่ถูกกําหนดโดยเฉพาะหน่วยกระบวนการหรือจํานวนทรานซิสเตอร์ แต่ด้วยวิธีการที่มันจัดการความร้อนอย่างฉลาดในทุกชั้นของแพคเกจ
ตลอดหลายทศวรรษ การปรับปรุงผลการทํางานของ GPU เป็นหลักโดยการปรับขนาดทรานซิสเตอร์และความก้าวหน้าของหน่วยกระบวนการและภาระงานคอมพิวเตอร์ความสามารถสูง (HPC), GPUs กําลังเข้าใกล้กับขีดจํากัดทางกายภาพใหม่ การจัดการทางความร้อนกําลังกลายเป็นข้อจํากัดหลัก
GPUs รุ่นใหม่ นําโดย NVIDIA ได้ผลักดันการบริโภคพลังงานของแพคเกจเดียว จากร้อยๆ วัตต์ เป็น 700 วัตต์ และมากกว่าความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆในขนาดนี้ ความสามารถในการดึงดูดความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจากซิลิคอน die ไม่ได้เป็นปัญหาที่สองอีกต่อไปความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของระบบ
การเปลี่ยนแปลงนี้บังคับให้อุตสาหกรรมพิจารณาใหม่องค์ประกอบสําคัญ แต่มักถูกมองข้าม
เครื่องวางซิลิคอนเป็นกระดูกสันหลังของเทคโนโลยีการบรรจุสินค้าที่ก้าวหน้า เช่น การบูรณาการ 2.5D และ CoWoSความนิยมของพวกเขามาจากความสอดคล้องที่ดีของลิโตกราฟิคและพื้นฐานการผลิตที่มั่นคง.
อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนไม่เคยถูกปรับปรุงให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมความร้อนที่รุนแรง
ความสามารถในการนําความร้อนของซิลิคอน (~ 150 W / m · K) เหมาะสมสําหรับอุปกรณ์โลจิก แต่ไม่เพียงพอต่อเนื่องสําหรับแพคเกจพลังงานสูงสุด
ความหนาแน่นทางอุณหภูมิปรากฏที่อินเตอร์เฟซของ die หนาแน่นและ substrate หนาแน่น, สร้างจุดร้อนในพื้นที่
เมื่อความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น เครื่องวางซิลิคอนจะส่งผลให้ความต้านทานทางความร้อนสะสมกัน โดยจํากัดการแพร่กระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ
เมื่อสถาปัตยกรรม GPU ขยายขนาดผ่าน chiplets, HBM stacks และการบูรณาการแบบไม่เหมือนกัน, interposer ไม่เป็น layer routing ที่ไม่ทํางานอีกต่อไป มันกลายเป็นเส้นทางความร้อนที่สําคัญ
ซิลิคอนคาร์ไบด์(SiC) ต่างกันจากซิลิคอน โดยพื้นฐาน มันถูกพัฒนาขึ้นสําหรับอิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงและอุณหภูมิสูงคุณสมบัติภายในของมันตรงกันอย่างดีกับความต้องการทางความร้อนของ GPU แพคเกจรุ่นต่อไป:
ความสามารถในการนําความร้อนสูง (โดยทั่วไป 370-490 W/m·K) มากกว่าสองเท่าของซิลิคอน
ช่องแดนกว้างและการผูกพันอะตอมที่แข็งแรง ทําให้มีความมั่นคงทางความร้อนในอุณหภูมิสูง
ความแตกต่างในการขยายความร้อนที่ต่ํากับสถาปัตยกรรมอุปกรณ์พลังงานบางอย่าง ลดความเครียดทางอุณหภูมิ
คุณลักษณะเหล่านี้ทําให้ SiC ไม่เพียงแค่นําความร้อนที่ดีกว่า แต่เป็นวัสดุจัดการความร้อนโดยการออกแบบ
การเปลี่ยนแปลงทางแนวคิดที่นํามาโดย SiC interposers เป็นอ่อนแอ แต่ลึก:
ผ่าตัดไม่ได้เป็นเพียงแค่การเชื่อมต่อไฟฟ้าชั้นกระจายความร้อน.
ในแพคเกจ GPU ที่ก้าวหน้า SiC interposers สามารถ:
เร็วนําความร้อนออกไปจากแรงสูง logical dies และส่วนประกอบการควบคุมแรงดัน
ลดอุณหภูมิจุดเชื่อมสูงสุดโดยลดความต้านทานความร้อนโดยรวม
ทําให้การกระจายอุณหภูมิที่เท่าเทียมกันมากกว่าในโมดูลหลายชิป
ปรับปรุงความน่าเชื่อถือในระยะยาวโดยลดความเครียดในการหมุนเวียนความร้อน
สําหรับอุปกรณ์พลังงานที่บูรณาการอยู่ใกล้หรือภายในแพ็คเกจ GPU เช่น ระบบควบคุมความดันในแพ็คเกจ ข้อดีทางความร้อนนี้มีความสําคัญเป็นพิเศษ
ขณะที่ GPU ตัวเองเป็นแหล่งความร้อนหลัก ส่วนประกอบการจัดส่งพลังงานถูกบูรณาการมากขึ้นใกล้เคียงกับโปรเซสเซอร์เพื่อลดการสูญเสียไฟฟ้า ส่วนประกอบเหล่านี้มักทํางานภายใต้:
ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง
ความถี่การสลับที่สูงขึ้น
ความเครียดทางความร้อนต่อเนื่อง
SiC ผ่านมรดกในอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน ทําให้มันเหมาะสมอย่างพิเศษที่นี่สร้างการออกแบบ ระดับระบบที่สมดุลทางความร้อนมากขึ้น.
ในความหมายนี้ SiC ไม่ได้ "แทนที่" ซิลิคอนทุกที่ มันเพิ่มซิลิคอนที่ฟิสิกส์ความร้อนกลายเป็นปัจจัยจํากัด
ถึงแม้ว่าจะมีข้อดีก็ตาม เครื่องวาง SiC ไม่ได้เป็นตัวแทน
SiC แข็งแกร่งและเปราะบางกว่าซิลิคอน ทําให้การผลิตซับซ้อนมากขึ้น
ผ่าน การ สร้าง, การ สะบัด, และ การ ทําโลหะ ต้องการ กระบวนการ ที่ มี ความ พิเศษ
ค่าใช้จ่ายยังคงสูงกว่าเทคโนโลยีซิลิคอน
อย่างไรก็ตาม ในขณะที่พลังงานของ GPU เติบโตต่อไป ความไม่ประสิทธิภาพทางความร้อนจะแพงกว่าค่าใช้จ่ายของวัสดุ สําหรับเครื่องเร่ง AI ระดับสูงผลประกอบต่อวัตต์และการเพิ่มความน่าเชื่อถือชี้แจงการนํามาใช้วิธีแก้ไขที่ใช้ SiC.
วิวัฒนาการของ GPU รุ่นใหม่ของ NVIDIA ได้เน้นแนวโน้มในอุตสาหกรรมที่กว้างกว่า
การออกแบบอุณหภูมิ ไม่ได้เป็นเรื่องที่คิดมาอีกแล้ว มันเป็นข้อจํากัดหลักของสถาปัตยกรรม
SiC interposers เป็นการตอบสนองในระดับวัสดุกับความท้าทายนี้มันทําให้กลยุทธ์การบรรจุภัณฑ์ใหม่ที่สอดคล้องกับความเป็นจริงของความหนาแน่นของพลังงานและการบูรณาการที่ไม่เหมือนกัน.
ในช่วงปีข้างหน้า ระบบ GPU ที่ทันสมัยที่สุดอาจจะไม่ถูกกําหนดโดยเฉพาะหน่วยกระบวนการหรือจํานวนทรานซิสเตอร์ แต่ด้วยวิธีการที่มันจัดการความร้อนอย่างฉลาดในทุกชั้นของแพคเกจ
