לקראת ChipEx2025: היהלום שבשבב

Phononics ואינטל יציגו ב -ChipEx2025 פתרון לפיזור חום בשבבים המבוסס על יהלומים. ראיון עם ד"ר ענבר דג סמנכ"לית המו"פ של פונוניקס

לקראת כנס ChipEx2025, שייערך ב־13 במאי בתל־אביב, חשפה ד"ר ענבר דג, סמנכ"לית הפיתוח בחברת Phononics פתרון פורץ דרך להטמעת פיסות יהלום רב־גבישי באריזת השבב לשיפור פיזור החום בהתקני מוליכים למחצה . בכנס היא תציג ביחד עם דניאל ליפוביץ', מוביל טכני בתחום ה- thermal בחברת אינטל בדיקות שערכו ביחד שתי החברות על שבבים ששולב בהם יהלום לצורך פיזור החום.

לדברי ד"ר דג, עליית צפיפות ההספק בשבבים בתהליכי ייצור עדכניים גורמת להתחממות עקב זרמי זליגה. טמפרטורת השבב עולה וביצועי השבב מווסתים ומוגבלים על מנת לא לעבור את גבול הטמפרטורה המותר ולא ליצור נזק לאמינות השבב. במצב זה ביצועי השבבי הם מוגבלי טמפרטורה ("thermal limit") . זו גם הסיבה שלמרות שצפיפות הטרנזיסטורים עולה על פי חוק מור, ביצועי ההתקנים כמו למשל תדירות השעון, בפועל הגיעו לערך מסויים ולא המשיכו לעלות בעשרים השנה האחרונות. הפתרון של Phononics משלב בתוך האריזה מפזר חום (heat spreader) מיהלום רב גבישי שמפזר את החום ביעילות ומוליך אותו אל מערכת פינוי החום החיצונית במהירות גבוהה, ובניסויים משותפים עם אינטל הוביל להפחתת טמפרטורת ה-junction ב-10–20 מעלות צלזיוס ושיפור ביצועים בסדר גודל של כ־10% במגוון פרמטרי מדידה .

הטכנולוגיה פועלת כך:

במהלך אריזת שבב, משולב מפזר חום מיהלום בצמוד לגב שבב הסיליקון ובקרבה המקסימלית למקור החום שהוא צמתי הטרנזיסטורים. היהלום, בהיותו החומר בעל מוליכות החום הגבוהה בטבע, מפזר את החום באופן תלת מימדי – הפיזור הלטראלי גורם למיצוע של הנקודות החמות – hot spots אל סביבתן ובכך מקטין את שטף החום. הפיזור הורטיקלי עוזר בהעברת חום יעילה אל גוף האריזה ומערכת הקרור חיצונית.
כתוצאה מכך יורד הפרש הטמפרטורה, ה־ΔT בין ה-junction למארז ה- Case וניתן לשמור על תדרי פעולה גבוהים יותר לאורך זמן.

בהרצאה שתוצג בכנס תציג ד"ר דג את הטכנולוגיה לגידול, עיבוד ושילוב יהלום ואת הוכחת ההיתכנות שבוצעה על מעבדים מתקדמים של חברת אינטל. דניאל ליפוביץ יציג תוצאות של מדדים שונים מבדיקות בנצ’מרק בסביבות עבודה שונות. הוא יראה כיצד שילוב היהלום מאפשר למקסם את ביצועי השבב היות והוא אינו מוגבל יותר תרמית. השיפור מתבטא בהעלאת הספק ותדר, ביצוע Overclocking. ובאופן כללי שיפור ביצועי השבב ב- 10%. לדברי דניאל, שיפור זה שקול לשיפור המושג בדרך כלל ע"י מעבר לדור טכנולוגי מתקדם יותר בשבבים שיוצרו בדור הנוכחי!

באופן דומה, הודגמה תועלת שילוב היהלום בהתקנים נוספים מסוג CPU, GPU של חברות שבבים נוספות מהמובילות בעולם, וכן נבדק הפתרון ע"י התעשיה הבטחונית ונמצא כי יוכל להועיל למערכות מבצעיות.

חשוב גם לציין כי הורדת הטמפרטורה יכולה להיות מתורגמת לשיפור ביצועי השבבים, אך לחילופין, יכולה להיות מתורגמת לחיסכון בעלויות קרור. הורדת טמפרטורת שבבי GPU/AI מפחיתה את הצורך במערכות קירור עוצמתיות וצרכניות אנרגיה, וכך תורמת לחיסכון משמעותי בעלויות התפעול של מרכזי נתונים (data centers).

עם זאת, לעת עתה, שילוב פיסות יהלום בשבבים קיימים מוגבל לתהליכים מעבדתיים, והחזון של החברה לשלב יהלום כבר בשלב ייצור השבב כחלק מתהליכי advanced packaging. המעבר הזה לייצור סדרתי דורש התאמות תהליכים וסט כלים, וזה השלב שבו נמצאת Phononics כעת.

בנסיון לגשר על הפער בין מעבדה לתעשייה ציינה ד"ר דג: “יש בידינו שיטת בונדינג תרמית יציבה ומוכחת, ותהליך שתואם לציוד ולתהליכים קיימים בתהליכי advanced packaging, אך אנו זקוקים לשותף אסטרטגי למעבר להטמעה תעשייתית מלאה.”

בכנס, שבו ישתתפו עשרות מרצים בולטים מתעשיית השבבים העולמית, תדון ד"ר דג גם באתגרים הנלווים ליישום יהלום במוקד החום של שבבים מבוססי AI ובמרכזי נתונים, ובדרכים לשלב פתרונות אלה במערכות מרובות-שבב (3D-IC).

ChipEx2025, כנס הדגל של תעשיית השבבים בישראל, ייפתח במושב מליאה ותיערך במרכז הכנסים אקספו תל־אביב. מידע על התוכנית המלאה והרשמה באתר הכנס: www.chipex.co.il.