台积电最近在VLSI 研讨会上展示了其对片上水冷作为解决散热问题的一种方式的研究。它涉及将水通道直接集成到芯片的设计中。
由于更密集的制造技术和增加的垂直 3D 芯片堆叠，晶体管越来越多地压缩在一起，温度成为需要解决的越来越关键的问题。台积电的研究人员认为解决方案是让水在夹层电路之间流动。这是一个非常简单的理论解决方案，但对于电子产品而言，这是一项极其困难的工程壮举。
当前的冷却解决方案通常通过与给定芯片的散热器直接接触、直接芯片接触技术或完全浸没在非导电流体中来工作。其中，前两种解决方案只能有效地冷却它们直接接触的层，这给垂直芯片堆叠带来了巨大的问题。较低的层在散热方面会遇到更多困难，会造成损坏，这两种情况都会对性能不利。
不仅如此，芯片的顶层也会有额外的压力，因为它基本上要把整个封装的热量带到散热层。而液体浸没虽然高效，而且可能对堆叠的芯片更好，但在已经适合空气或传统水冷的专业场景中，却很昂贵，而且难以部署。
台积电在受控实验室条件下对虚拟半导体进行了测试 - 一种热测试载体 (TTV)，它本质上是一种由铜制成的加热元件。该公司在可控条件下测试了三种硅水通道的集成：一种是基于柱状结构的通道，水可以在有源半导体柱周围流动以冷却它们（想想岛屿周围的水）；以沟渠设计为特色的设计(想象一条被河岸控制的河流);在硅芯片的其余部分上安装一个简单的平坦的水通道。水通过一个外部冷却机制，将水通过硅芯片的过程冷却到25ºC。
台积电进一步测试了三种类型的水冷设计：一种只有直接水冷 (DWC)，作为制造过程的一部分，水有自己的循环通道直接蚀刻到芯片的硅片中；另一种设计将水通道蚀刻到芯片顶部自己的硅层中，使用 OX（氧化硅融合）的热界面材料 (TIM) 层将热量从芯片传递到水冷层；最后是一种将 OX 层换成更简单、更便宜的液态金属解决方案的设计。
台积电报告说，目前最好的解决方案是直接水冷方法，它可以消散高达2.6千瓦的热量，提供63 ºC的温度差。第二好的设计自然是基于OX TIM的设计，它仍然可以散去2.3千瓦的热量，提供83 ºC的温度差。液态金属解决方案排在最后，仍能散发出1.8千瓦的热量（温度差为75 ºC）。在所有的水流设计中，柱式设计是迄今为止最好的。
当然，在这种奇特的冷却解决方案被纳入主流之前，还需要数年时间。但这绝对是实现晶体管密度持续增加、持续改善最重要的单位面积性能指标以及未来3D半导体的发展方向之一。
原文链接：
https://www.tomshardware.com/news/tsmc-exploring-on-chip-semiconductor-integrated-watercooling
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