दशकों तक, GPU प्रदर्शन में सुधार मुख्य रूप से ट्रांजिस्टर स्केलिंग और प्रक्रिया-नोड अग्रिमों द्वारा संचालित किया गया था।और उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग (एचपीसी) कार्यभार, GPU एक नई भौतिक सीमा के करीब आ रहे हैं, थर्मल प्रबंधन प्रमुख बाधा बन रहा है।
अगली पीढ़ी के GPUs, NVIDIA के नेतृत्व में, एकल पैकेज बिजली की खपत को सैकड़ों वाट से बढ़ाकर 700 वाट और उससे अधिक कर दिया है।बिजली घनत्व बढ़ता रहता है, जिसका अर्थ है प्रति इकाई क्षेत्रफल अधिक गर्मी उत्पन्न होती है। इस पैमाने पर सिलिकॉन मर से गर्मी को कुशलतापूर्वक निकालने की क्षमता अब एक माध्यमिक चिंता नहीं है, यह सीधे घड़ी की आवृत्ति को सीमित करती है,विश्वसनीयता, और सिस्टम जीवनकाल.
यह बदलाव उद्योग को एक महत्वपूर्ण, लेकिन अक्सर अनदेखा घटक पर पुनर्विचार करने के लिए मजबूर करता हैः इंटरपोजर सामग्री।
सिलिकॉन इंटरपोजर लंबे समय से 2.5 डी एकीकरण और CoWoS जैसी उन्नत पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों की रीढ़ रही है।उनकी लोकप्रियता उत्कृष्ट लिथोग्राफिक संगतता और अच्छी तरह से स्थापित विनिर्माण बुनियादी ढांचे से उत्पन्न होती है.
हालांकि, सिलिकॉन को कभी भी अत्यधिक ताप वातावरण के लिए अनुकूलित नहीं किया गया था:
सिलिकॉन की थर्मल चालकता (~150 W/m·K) तर्क उपकरणों के लिए पर्याप्त है लेकिन अति-उच्च-शक्ति वाले पैकेजों के लिए तेजी से अपर्याप्त है।
थर्मल फ्लैट ग्लॉसेस डाई-इंटरपोज़र और इंटरपोज़र-सब्सट्रेट इंटरफेस पर उभरते हैं, स्थानीयकृत हॉट स्पॉट बनाते हैं।
जैसे-जैसे शक्ति घनत्व बढ़ता है, सिलिकॉन इंटरपोसर्स थर्मल प्रतिरोध स्टैकिंग में योगदान करते हैं, प्रभावी गर्मी प्रसार को सीमित करते हैं।
जैसे-जैसे GPU आर्किटेक्चर चिपलेट्स, एचबीएम स्टैक और विषम एकीकरण के माध्यम से स्केल करते हैं, इंटरपोजर अब एक निष्क्रिय रूटिंग लेयर नहीं है, यह एक महत्वपूर्ण थर्मल पथ बन जाता है।
सिलिकॉन कार्बाइडमूल रूप से उच्च शक्ति और उच्च तापमान बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए विकसित,इसके आंतरिक गुण अगली पीढ़ी के GPU पैकेजिंग की थर्मल मांगों के साथ उल्लेखनीय रूप से अच्छी तरह से संरेखित करते हैं:
उच्च ताप चालकता (आमतौर पर 370-490 W/m·K), सिलिकॉन की दोगुनी से अधिक
उच्च तापमान पर थर्मल स्थिरता प्रदान करने वाला व्यापक बैंडगैप और मजबूत परमाणु बंधन
कुछ पावर डिवाइस आर्किटेक्चर के साथ कम थर्मल विस्तार असंगतता, थर्मोमैकेनिकल तनाव को कम करना
ये विशेषताएं SiC को न केवल गर्मी का बेहतर चालक बनाती हैं, बल्कि डिजाइन द्वारा एक थर्मल प्रबंधन सामग्री भी बनाती हैं।
सीआईसी इंटरपोसर्स द्वारा शुरू की गई वैचारिक बदलाव सूक्ष्म लेकिन गहन हैः
इंटरपोजर अब सिर्फ एक विद्युत इंटरकनेक्ट नहीं है, यह एकसक्रिय गर्मी फैलाने वाली परत.
उन्नत जीपीयू पैकेजों में, सीआईसी इंटरपोजर कर सकते हैंः
तेजी से उच्च शक्ति तर्क मर जाता है और वोल्टेज विनियमन घटकों से दूर गर्मी का संचालन
कुल थर्मल प्रतिरोध को कम करके शिखर जंक्शन तापमान को कम करें
मल्टी-चिप मॉड्यूल के बीच अधिक समान तापमान वितरण को सक्षम करें
थर्मल साइक्लिंग तनाव को कम करके दीर्घकालिक विश्वसनीयता में सुधार
GPU पैकेज के पास या उसके अंदर एकीकृत बिजली उपकरणों के लिए, जैसे कि पैकेज पर वोल्टेज नियामक, यह थर्मल लाभ विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।
जबकि जीपीयू डाई स्वयं ही एक प्रमुख गर्मी स्रोत है, बिजली वितरण घटकों को विद्युत हानि को कम करने के लिए प्रोसेसर के करीब तेजी से एकीकृत किया जाता है। ये घटक अक्सर निम्न के तहत काम करते हैंः
उच्च धारा घनत्व
उच्च स्विचिंग आवृत्तियाँ
निरंतर थर्मल तनाव
पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में SiC की विरासत इसे अद्वितीय रूप से उपयुक्त बनाती है। एक SiC इंटरपोजर एक साथ विद्युत अलगाव, यांत्रिक स्थिरता और कुशल गर्मी निष्कर्षण का समर्थन कर सकता है,एक अधिक थर्मल संतुलित प्रणाली स्तर के डिजाइन बनाने.
इस अर्थ में, SiC हर जगह सिलिकॉन की जगह नहीं लेता है, यह सिलिकॉन को बढ़ाता है जहां थर्मल भौतिकी सीमित कारक बन जाती है।
इसके फायदों के बावजूद, सीआईसी इंटरपोजर एक ड्रॉप-इन प्रतिस्थापन नहीं हैंः
सीआईसी सिलिकॉन की तुलना में कठिन और अधिक भंगुर है, जिससे निर्माण जटिलता बढ़ जाती है
गठन, चमकाने और धातुकरण के लिए विशेष प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है
परिपक्व सिलिकॉन इंटरपोजर तकनीक की तुलना में लागत अधिक है
हालांकि, जैसा कि GPU पावर लिफाफे बढ़ते रहते हैं, थर्मल अक्षमता सामग्री लागत से अधिक महंगी हो जाती है।प्रति वाट प्रदर्शन और विश्वसनीयता में वृद्धि से सीआईसी आधारित समाधानों को अपनाना अधिक उचित हो रहा है.
NVIDIA की अगली पीढ़ी के GPU का विकास एक व्यापक उद्योग प्रवृत्ति को उजागर करता हैः
थर्मल डिजाइन अब एक बाद का विचार नहीं है, यह एक प्राथमिक वास्तुशिल्प बाधा है।
सीआईसी इंटरपोजर इस चुनौती के लिए सामग्री स्तर की प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करते हैं। वे केवल बेहतर ठंडा नहीं करते;वे नई पैकेजिंग रणनीतियों को सक्षम करते हैं जो चरम शक्ति घनत्व और विषम एकीकरण की वास्तविकताओं के अनुरूप हैं.
आने वाले वर्षों में, सबसे उन्नत जीपीयू सिस्टम को केवल प्रक्रिया नोड्स या ट्रांजिस्टरों की संख्या द्वारा परिभाषित नहीं किया जा सकता है, बल्कि यह कि वे पैकेज की प्रत्येक परत पर गर्मी का प्रबंधन कैसे करते हैं।
दशकों तक, GPU प्रदर्शन में सुधार मुख्य रूप से ट्रांजिस्टर स्केलिंग और प्रक्रिया-नोड अग्रिमों द्वारा संचालित किया गया था।और उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग (एचपीसी) कार्यभार, GPU एक नई भौतिक सीमा के करीब आ रहे हैं, थर्मल प्रबंधन प्रमुख बाधा बन रहा है।
अगली पीढ़ी के GPUs, NVIDIA के नेतृत्व में, एकल पैकेज बिजली की खपत को सैकड़ों वाट से बढ़ाकर 700 वाट और उससे अधिक कर दिया है।बिजली घनत्व बढ़ता रहता है, जिसका अर्थ है प्रति इकाई क्षेत्रफल अधिक गर्मी उत्पन्न होती है। इस पैमाने पर सिलिकॉन मर से गर्मी को कुशलतापूर्वक निकालने की क्षमता अब एक माध्यमिक चिंता नहीं है, यह सीधे घड़ी की आवृत्ति को सीमित करती है,विश्वसनीयता, और सिस्टम जीवनकाल.
यह बदलाव उद्योग को एक महत्वपूर्ण, लेकिन अक्सर अनदेखा घटक पर पुनर्विचार करने के लिए मजबूर करता हैः इंटरपोजर सामग्री।
सिलिकॉन इंटरपोजर लंबे समय से 2.5 डी एकीकरण और CoWoS जैसी उन्नत पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों की रीढ़ रही है।उनकी लोकप्रियता उत्कृष्ट लिथोग्राफिक संगतता और अच्छी तरह से स्थापित विनिर्माण बुनियादी ढांचे से उत्पन्न होती है.
हालांकि, सिलिकॉन को कभी भी अत्यधिक ताप वातावरण के लिए अनुकूलित नहीं किया गया था:
सिलिकॉन की थर्मल चालकता (~150 W/m·K) तर्क उपकरणों के लिए पर्याप्त है लेकिन अति-उच्च-शक्ति वाले पैकेजों के लिए तेजी से अपर्याप्त है।
थर्मल फ्लैट ग्लॉसेस डाई-इंटरपोज़र और इंटरपोज़र-सब्सट्रेट इंटरफेस पर उभरते हैं, स्थानीयकृत हॉट स्पॉट बनाते हैं।
जैसे-जैसे शक्ति घनत्व बढ़ता है, सिलिकॉन इंटरपोसर्स थर्मल प्रतिरोध स्टैकिंग में योगदान करते हैं, प्रभावी गर्मी प्रसार को सीमित करते हैं।
जैसे-जैसे GPU आर्किटेक्चर चिपलेट्स, एचबीएम स्टैक और विषम एकीकरण के माध्यम से स्केल करते हैं, इंटरपोजर अब एक निष्क्रिय रूटिंग लेयर नहीं है, यह एक महत्वपूर्ण थर्मल पथ बन जाता है।
सिलिकॉन कार्बाइडमूल रूप से उच्च शक्ति और उच्च तापमान बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए विकसित,इसके आंतरिक गुण अगली पीढ़ी के GPU पैकेजिंग की थर्मल मांगों के साथ उल्लेखनीय रूप से अच्छी तरह से संरेखित करते हैं:
उच्च ताप चालकता (आमतौर पर 370-490 W/m·K), सिलिकॉन की दोगुनी से अधिक
उच्च तापमान पर थर्मल स्थिरता प्रदान करने वाला व्यापक बैंडगैप और मजबूत परमाणु बंधन
कुछ पावर डिवाइस आर्किटेक्चर के साथ कम थर्मल विस्तार असंगतता, थर्मोमैकेनिकल तनाव को कम करना
ये विशेषताएं SiC को न केवल गर्मी का बेहतर चालक बनाती हैं, बल्कि डिजाइन द्वारा एक थर्मल प्रबंधन सामग्री भी बनाती हैं।
सीआईसी इंटरपोसर्स द्वारा शुरू की गई वैचारिक बदलाव सूक्ष्म लेकिन गहन हैः
इंटरपोजर अब सिर्फ एक विद्युत इंटरकनेक्ट नहीं है, यह एकसक्रिय गर्मी फैलाने वाली परत.
उन्नत जीपीयू पैकेजों में, सीआईसी इंटरपोजर कर सकते हैंः
तेजी से उच्च शक्ति तर्क मर जाता है और वोल्टेज विनियमन घटकों से दूर गर्मी का संचालन
कुल थर्मल प्रतिरोध को कम करके शिखर जंक्शन तापमान को कम करें
मल्टी-चिप मॉड्यूल के बीच अधिक समान तापमान वितरण को सक्षम करें
थर्मल साइक्लिंग तनाव को कम करके दीर्घकालिक विश्वसनीयता में सुधार
GPU पैकेज के पास या उसके अंदर एकीकृत बिजली उपकरणों के लिए, जैसे कि पैकेज पर वोल्टेज नियामक, यह थर्मल लाभ विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।
जबकि जीपीयू डाई स्वयं ही एक प्रमुख गर्मी स्रोत है, बिजली वितरण घटकों को विद्युत हानि को कम करने के लिए प्रोसेसर के करीब तेजी से एकीकृत किया जाता है। ये घटक अक्सर निम्न के तहत काम करते हैंः
उच्च धारा घनत्व
उच्च स्विचिंग आवृत्तियाँ
निरंतर थर्मल तनाव
पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में SiC की विरासत इसे अद्वितीय रूप से उपयुक्त बनाती है। एक SiC इंटरपोजर एक साथ विद्युत अलगाव, यांत्रिक स्थिरता और कुशल गर्मी निष्कर्षण का समर्थन कर सकता है,एक अधिक थर्मल संतुलित प्रणाली स्तर के डिजाइन बनाने.
इस अर्थ में, SiC हर जगह सिलिकॉन की जगह नहीं लेता है, यह सिलिकॉन को बढ़ाता है जहां थर्मल भौतिकी सीमित कारक बन जाती है।
इसके फायदों के बावजूद, सीआईसी इंटरपोजर एक ड्रॉप-इन प्रतिस्थापन नहीं हैंः
सीआईसी सिलिकॉन की तुलना में कठिन और अधिक भंगुर है, जिससे निर्माण जटिलता बढ़ जाती है
गठन, चमकाने और धातुकरण के लिए विशेष प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है
परिपक्व सिलिकॉन इंटरपोजर तकनीक की तुलना में लागत अधिक है
हालांकि, जैसा कि GPU पावर लिफाफे बढ़ते रहते हैं, थर्मल अक्षमता सामग्री लागत से अधिक महंगी हो जाती है।प्रति वाट प्रदर्शन और विश्वसनीयता में वृद्धि से सीआईसी आधारित समाधानों को अपनाना अधिक उचित हो रहा है.
NVIDIA की अगली पीढ़ी के GPU का विकास एक व्यापक उद्योग प्रवृत्ति को उजागर करता हैः
थर्मल डिजाइन अब एक बाद का विचार नहीं है, यह एक प्राथमिक वास्तुशिल्प बाधा है।
सीआईसी इंटरपोजर इस चुनौती के लिए सामग्री स्तर की प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करते हैं। वे केवल बेहतर ठंडा नहीं करते;वे नई पैकेजिंग रणनीतियों को सक्षम करते हैं जो चरम शक्ति घनत्व और विषम एकीकरण की वास्तविकताओं के अनुरूप हैं.
आने वाले वर्षों में, सबसे उन्नत जीपीयू सिस्टम को केवल प्रक्रिया नोड्स या ट्रांजिस्टरों की संख्या द्वारा परिभाषित नहीं किया जा सकता है, बल्कि यह कि वे पैकेज की प्रत्येक परत पर गर्मी का प्रबंधन कैसे करते हैं।
