DE112011102966B4

DE112011102966B4 - In den Kühlkörper integrierte Stromversorgung und Stromverteilung für integrierte Schaltungen sowie 3-D-VLSI-Einheit, Datenverarbeitungssystem und Verfahren damit

Info

Publication number: DE112011102966B4
Application number: DE112011102966.7T
Authority: DE
Inventors: Harry Barowski; Hubert Harrer; Jochen Supper; Bruno Michel; Andreas Huber; Tim Niggemeier; Thomas Brunschwiler; Stephan Paredes
Original assignee: GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2031-10-22
Also published as: GB2498310B; DE112011102966T5; JP5613334B2; US8405998B2; GB2498310A; CN103180946A; CN103180946B; JP2013539220A; WO2012055782A1; US20120106074A1; GB201307552D0

Abstract

Dreidimensionale VLSI-Einheit (200), aufweisend:
eine Prozessorschicht (202), die über eine erste Menge von Verbindungseinheiten (210) mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (208) verbunden ist; und
einen Kühlkörper (302), der über eine zweite Menge von Verbindungseinheiten mit der Prozessorschicht verbunden ist, wobei:
der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten (304) aufweist,
jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereitstellt, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen,
der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom ausgestaltet ist und den Elementen der dreidimensionalen VLSI-Einheit keine Datenaustauschsignale bereitstellt, und
die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht ausgestaltet ist und den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereitstellt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine verbesserte Datenverarbeitungsvorrichtung und ein verbessertes Datenverarbeitungsverfahren und insbesondere Mechanismen zur integrierten Stromzufuhr für und Stromverteilung auf integrierte Schaltkreise über einen Kühlkörper.
Die dreidimensionale Integration (3-D-Integration) sorgt bei Mikroprozessorarchitekturen durch eine höhere Anzahl von Verbindungen zwischen Schichten innerhalb des Chipstapels für Leistungsverbesserungen. Die elektrischen Verbindungen außerhalb des Stapels (Signale und Stromversorgung) werden jedoch nach wie vor auf einer Fläche des Chipstapels realisiert und erhöhen sich nicht im selben Ausmaß wie die Anzahl der Schichten. Mit der weiteren Zunahme von CMOS-Transistoren (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) reicht wegen der langsamen Verringerung beim C4 Abstand im Laufe der Zeit die Anzahl von C4-Einheiten selbst bei einzelnen Chips nicht aus. Bei 3-D-Chipstapeln führt dies zu starken Einschränkungen beim Schaltungsentwurf und verringert den durch die vertikale Integration möglichen Leistungsgewinn.
Die US 2008/0 032 446 A1 offenbart einen mit einer Signalleitung verbundenen integrierten Schaltkreis und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ferner offenbart die US 2008/0 032 446 A1 ein mit dem integrierten Schaltkreis gekoppeltes Wärmeabfuhrgerät und einen Abschlusswiderstand, der mit der Signalleitung und dem Wärmeabfuhrgerät gekoppelt ist.
Die JP H04-118 984 A offenbart ein Bauteil einer elektronischen Komponente. Das Bauteil ist funktionsfähig zum Zufuhr eines hohen Stroms, wobei eine Stromzuführungsebene des Bauteils und eine Signalleitungsebene des Bauteils in getrennten Schichten gebildet sind.
Die JP H08-97 329 A offenbart ein elektronisches Gerät, das eine Leiterplatte mit einer leitenden strukturierten Verdrahtung auf deren Oberfläche und einem Durchsteckmontage-Gehäuse, eine metallische Wärmeabstrahlungsplatte, die an einer Oberfläche der Leiterplatte mit einem Klebstoff befestigt ist, ein elektronisches Bauteil, das an der Wärmeabstrahlungsplatte montiert ist, mehrere Stanzgitter, die mit einem Ende der leitenden strukturierten Verdrahtung verbunden sind, und ein Gießharz-Verkapselungsbauteil zur Verkapselung des elektronischen Bauteil aufweist.
Die US 2003/0 179 596 A1 offenbart eine elektrische Busleitung mit Einrichtungen zur Wärmeabfuhr von Halbleiterbauteilen.
KURZDARSTELLUNG
Bei einer Ausführungsform wird eine dreidimensionale (3-D) VLSI-Einheit (VLSI = Very Large Scale Integration) bereitgestellt. Die 3-D-VLSI-Einheit weist eine Prozessorschicht auf, die über eine erste Menge von Verbindungseinheiten mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (E/A-Schicht) verbunden ist. Die 3-D-VLSI-Einheit weist ferner einen Kühlkörper auf, der über eine zweite Menge von Verbindungseinheiten mit der Prozessorschicht verbunden ist. Bei der 3-D-VLSI-Einheit weist der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten auf. Bei der 3-D-VLSI-Einheit stellt jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereit, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen. Bei der 3-D-VLSI-Einheit ist der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom vorgesehen und stellt den Elementen der dreidimensionalen VLSI-Einheit keine Datenaustauschsignale bereit. Bei der 3-D-VLSI Einheit ist die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit (E/A-Einheit) nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht vorgesehen und stellt den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereit.
Bei einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird ein Datenverarbeitungssystem bereitgestellt. Das Datenverarbeitungssystem weist eine Prozessorschicht auf, die über eine erste Menge von Verbindungseinheiten mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (E/A-Schicht) verbunden ist. Das Datenverarbeitungssystem weist außerdem einen Kühlkörper auf, der über eine zweite Menge von Verbindungseinheiten mit der Prozessorschicht verbunden ist. Bei dem Datenverarbeitungssystem weist der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten auf. Bei dem Datenverarbeitungssystem stellt jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereit, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen. Bei dem Datenverarbeitungssystem ist der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom vorgesehen und stellt den Elementen der dreidimensionalen VLSI-Einheit keine Datenaustauschsignale bereit. Bei dem Datenverarbeitungssystem ist die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit (E/A-Einheit) nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht vorgesehen und stellt den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereit.
Bei noch einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird in einem Datenverarbeitungssystem ein Verfahren zur integrierten Stromzufuhr für und Stromverteilung auf integrierte Schaltkreise über einen Kühlkörper in einer dreidimensionalen VLSI-Einheit bereitgestellt. Die veranschaulichende Ausführungsform verbindet unter Verwendung einer ersten Menge von Verbindungseinheiten eine Prozessorschicht mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (E/A-Schicht). Die veranschaulichende Ausführungsform verbindet den Kühlkörper unter Verwendung einer zweiten Menge von Verbindungseinheiten mit der Prozessorschicht. Bei der veranschaulichenden Ausführungsform weist der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten auf. Bei der veranschaulichenden Ausführungsform stellt jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereit, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen. Bei der veranschaulichenden Ausführungsform ist der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom vorgesehen und stellt den Elementen der dreidimensionalen VLSI-Einheit keine Datenaustauschsignale bereit. Bei der veranschaulichenden Ausführungsform ist die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit (E/A-Einheit) nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht vorgesehen und stellt den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereit.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben bzw. werden Fachleuten verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN IN DEN ZEICHNUNGEN
Die Erfindung sowie eine bevorzugte Art der Verwendung und weitere Zielsetzungen und Vorteile der Erfindung werden jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende eingehende Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, wobei
in 1 ein Blockschaltbild eines Datenverarbeitungssystems abgebildet ist, bei dem Aspekte veranschaulichender Ausführungsformen vorteilhaft genutzt werden können;
in 2 ein Beispiel einer dreidimensionalen VLSI-Architektur gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform abgebildet ist; und
in den 3A bis 3C ein Beispiel einer Realisierung eines Stromzufuhrsystems gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform abgebildet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine veranschaulichende Ausführungsform stellt einen Mechanismus zum Optimieren der Halbleiterpackung in einem dreidimensionalen Stapel (3-D-Stapel) bereit, indem eine Seite des 3-D-Stapels zur Stromzufuhr und die andere Seite des 3-D-Stapels zur Zufuhr der Hochgeschwindigkeitssignalisierung reserviert wird. Probleme bei dem 3-D-Stapel im Zusammenhang mit Stromzufuhr und Hochgeschwindigkeitssignalen werden anschließend durch die Verwendung von Silizium-Durchkontaktierungen (Through Silicon Via, TSV) gelöst. Bei einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird die durch einen 3-D-Stapel erforderliche Zufuhr mehrerer Stromversorgungsspannungen über einen Kühlkörper bereitgestellt, der für die verschiedenen integrierten Schaltkreise des 3-D-Stapels eine integrierte Stromzufuhr und Stromverteilung bereitstellt.
Daher können die veranschaulichenden Ausführungsformen bei vielen unterschiedlichen Arten von Datenverarbeitungsumgebungen genutzt werden, unter anderem in einer verteilten Datenverarbeitungsumgebung, in einer einzelnen Datenverarbeitungseinheit und dergleichen. Um einen Kontext für die Beschreibung der speziellen Elemente und speziellen Funktionalität der veranschaulichenden Ausführungsformen bereitzustellen, ist 1 als Beispiel von Umgebungen angefügt, in denen Aspekte der veranschaulichenden Ausführungsformen realisiert werden können. Obwohl sich die Beschreibung im Zusammenhang mit 1 hauptsächlich auf die Realisierung einer einzelnen Datenverarbeitungseinheit für eine dreidimensionale Prozessorarchitektur konzentriert, die durch eine höhere Anzahl von Verbindungen und eine höhere Packungsdichte eine Leistungsverbesserung bereitstellt, ist dies lediglich ein Beispiel und nicht als Darlegung oder Andeutung einer beliebigen Einschränkung hinsichtlich der Merkmale der vorliegenden Erfindung gedacht. Die veranschaulichenden Ausführungsformen schließen im Gegenteil verteilte Datenverarbeitungsumgebungen und Ausführungsformen ein, bei denen für eine dreidimensionale Prozessorarchitektur eine Leistungsverbesserung durch eine höhere Anzahl von Verbindungen und eine höhere Packungsdichte bereitgestellt werden kann.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist dort ein Blockschaltbild eines Datenverarbeitungssystems abgebildet, bei dem Aspekte veranschaulichender Ausführungsformen vorteilhaft genutzt werden können. Wie gezeigt weist das Datenverarbeitungssystem 100 Prozessoreinheiten 111a bis 111n auf. Jede der Prozessoreinheiten 111a bis 111n weist einen Prozessor und einen Cachespeicher auf. Beispielsweise enthält die Prozessorkarte 111a den Prozessor 112a und den Cachespeicher 113a, und die Prozessorkarte 111n enthält den Prozessor 112n und den Cachespeicher 113n.
Die Prozessoreinheiten 111a bis 111n sind mit dem Hauptbus 115 verbunden. Der Hauptbus 115 unterstützt eine Systemplatine 120, die die Prozessoreinheiten 111a bis 111n und die Speicherkarten 123 enthält. Die Systemplatine enthält außerdem den Daten-Switch 121 und den Speichercontroller/Cachespeicher 122. Der Speichercontroller/Cachespeicher 122 unterstützt Speicherkarten 123, die lokalen Arbeitsspeicher 116, die mehrere DIMM-Module (DIMM = Dual In-line Memory Modules (DIMMs)) aufweisen.
Der Daten-Switch 121 stellt eine Verbindung zur Bus-Bridge 117 und zur Bus-Bridge 118 her, die sich auf der systemeigenen E/A-Platine (NIO-Platine, NIO = native I/O) 124 befinden. Wie gezeigt stellt die Bus-Bridge 118 über den Systembus 119 eine Verbindung zu den PCI-Bridges (PCI = Peripheral Components Interconnect) 125 und 126 her. Die PCI-Bridge 125 stellt über den PCI-Bus 128 eine Verbindung zu einer Vielzahl von E/A-Einheiten her. Wie gezeigt kann die Festplatte 136 über einen SCSI-Hostadapter 130 (SCSI = Small Computer System Interface) mit dem PCI-Bus 128 verbunden sein. Ein Grafikadapter 131 kann direkt oder indirekt mit dem PCI-Bus 128 verbunden sein. Die PCI-Bridge 126 stellt über dem PCI-Bus 127 sowie über den Netzwerkadapter 134 und die Adapterkartensteckplätze 135a bis 135n Verbindungen für externe Datenströme bereit.
Ein ISA-Bus (ISA = Industry Standard Architecture) 129 stellt über die ISA-Bridge 132 eine Verbindung zum PCI-Bus 128 her. Die ISA-Bridge 132 stellt über den NIO-Controller 133 mit den seriellen Anschlüssen Seriell 1 und Seriell 2 Verbindungsfunktionen bereit. Durch den NIO-Controller 133 werden ein Diskettenlaufwerksanschluss, Tastaturanschluss und Mausanschluss bereitgestellt, sodass ein Benutzer über eine entsprechende Eingabeeinheit Daten in das Datenverarbeitungssystem 100 eingeben kann. Außerdem stellt nichtflüchtiger RAM (NVRAM) 140, der mit dem ISA-Bus 129 verbunden ist, einen nichtflüchtigen Speicher zur Aufbewahrung bestimmter Arten von Daten bereit, die aus Systemunterbrechungen oder Systemfehlern wie zum Beispiel Stromversorgungsproblemen stammen. Eine System-Firmware 141 ist ebenfalls mit dem ISA-Bus 129 verbunden, um Anfangsfunktionen des BIOS-Systems (BIOS = Basic Input/Basic Output System) zu realisieren. Ein Serviceprozessor 144 ist mit dem ISA-Bus 129 verbunden, um Funktionalitäten zur Systemdiagnose oder Systemwartung bereitzustellen.
Das Betriebssystem (BS) ist auf der Festplatte 136 gespeichert, die auch Speicherplatz für weitere Anwendungssoftware zur Ausführung durch das Datenverarbeitungssystem bereitstellen kann. Der NVRAM 140 dient zur Speicherung von Systemvariablen und Fehlerinformationen, wenn die Verbindung zu vor Ort austauschbaren Funktionseinheiten (FRU) (FRU = Field Replaceable Unit) unterbrochen werden soll. Während des Systemanlaufs lädt das Bootprogramm das Betriebssystem und startet die Ausführung des Betriebssystems. Zum Laden des Betriebssystems sucht das Bootprogramm zunächst auf der Festplatte 136 nach einem Betriebssystemkerntyp, lässt das BS in den Speicher und springt zu einer vom Betriebssystemkern bereitgestellten Anfangsadresse. Normalerweise wird das Betriebssystem in einen Direktzugriffsspeicher (RAM) innerhalb des Datenverarbeitungssystems geladen. Sobald das Betriebssystem geladen und initialisiert ist, steuert es die Ausführung von Programmen und kann Dienste wie zum Beispiel Ressourcenzuweisung, Planung, Eingabe/Ausgabe-Steuerung und Datenverwaltung bereitstellen.
Die veranschaulichende Ausführungsform kann in einer Vielfalt von Datenverarbeitungssystemen realisiert werden, die eine Reihe unterschiedlicher Hardwarekonfigurationen und Software wie zum Beispiel Bootprogramme und Betriebssysteme nutzen. Das Datenverarbeitungssystem 100 kann zum Beispiel ein eigenständiges System oder Teil eines Netzwerks wie zum Beispiel eines lokalen Netzwerks (LAN) oder eines Weitverkehrsnetzwerks (WAN) sein.
Bei bekannten 3-D-VLSI-Architekturen sind die Stromzufuhr zum 3D-VLSI-Chipstapel über C4-Lötkugeln oder -Lötstifte und die Hochgeschwindigkeitssignalisierung vermischt. Die mögliche Anzahl realisierbarer C4-Stifte begrenzt jedoch diese maximale Eingabe/Ausgabe-Bandbreite und Stromzufuhr. Um den Strom mit einem minimalen Spannungsabfall über den Chipstapel zu verteilen, werden C4-Einheiten mit einem Abstand von 151 μm benötigt. Daher können bei einem Grenzwert von 44 C4-Einheiten pro Quadratmillimeter nur wenige C4-Einheiten zur Signalisierung verwendet werden, wodurch die Bandbreite des Datenaustauschs beschränkt ist. Des Weiteren wird durch die Vermischung von Stromzufuhr und Hochgeschwindigkeitssignalisierung auf einer Seite des 3-D-VLSI-Chipstapels, wie dies nach dem gegenwärtigen Stand der Technik vorgenommen wird, der Wärmeleitweg von der Sperrschicht zur Kühleinheit wegen des vollen Zugangs der kalten Platte auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Chipstapels auf ein Minimum begrenzt, unabhängig davon, ob die Kühleinheit mit Luft oder Flüssigkeit gekühlt wird. Eine ähnliche Vermischung von Stromzufuhr und Hochgeschwindigkeitssignalisierung über C4-Lötkugeln oder -Lötstifte wird auch bei zweidimensionalen VLSI-Architekturen realisiert. Obwohl die folgende Beschreibung auf 3-D-VLSI-Architekturen gerichtet ist, können die veranschaulichenden Ausführungsformen auch bei VLSI-Architekturen anderer Dimensionen realisiert werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
In 2 ist ein Beispiel einer dreidimensionalen VLSI-Architektur gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform abgebildet. Um die Stromzufuhr zwecks Unterstützung zukünftiger CMOS-Technologien zu erhöhen, weist die 3-D-VLSI-Architektur 200 eine Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit 202 auf, die eine Vielzahl von Prozessorkernen aufweist. Die Stromzufuhrschicht 204 führt der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit 202 über eine erste Vielzahl von C4-Lötkugeln 206 Strom (Vdd) und Masse aus dem Datenverarbeitungssystem 212 zu, wobei die Vielzahl von Lötkugeln hinsichtlich Größe und/oder Geometrie optimiert ist, um jedem der Vielzahl von Prozessorkernen den erforderlichen Strom zuzuführen. Obwohl bei den veranschaulichenden Ausführungsformen C4-Lötkugeln verwendet werden, können andere Arten der Verbindung, zum Beispiel Kupferpfosten, verwendet werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Mögliche Realisierungen der Stromzufuhrschicht 204 werden nachfolgend eingehend erörtert. Die Stromzufuhrschicht 204 kann unter Verwendung einer beliebigen Art von Verbindungsmechanismus mit dem Datenverarbeitungssystem 212 verbunden sein, zum Beispiel in Form von Steckverbindern, die auf einer Systemplatine ausgebildet sind, in Form einer Verkabelung mit einer Stromversorgung oder dergleichen. Die Verwendung der Stromzufuhrschicht 204 zur Bereitstellung von Strom über eine Seite der 3-D-VLSI-Architektur 200 erhöht im Gegensatz zu bekannten Systemen die Anzahl von C4-Stiften und außerdem die Stromzufuhr über den gegenwärtigen Grenzwert von 100 Watt pro Quadratzentimeter hinaus. Zudem senkt die Bereitstellung von Strom über eine Seite der 3-D-VLSI-Architektur 200 das Stromrauschen, das gegenwärtig auf Signalpfaden bei der Vermischung mit der Stromversorgung auf derselben Seite eines 3-D-VLSI-Stapels festzustellen ist. Des Weiteren können Silizium-Durchkontaktierungen, die benötigt werden, um der Prozessorschicht 202 durch das Substrat/die Platine 214 und die Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (E/A-Schicht) 208 Strom zuzuführen, entfernt werden, da der Strom von der Stromzufuhrschicht 204 direkt zugeführt wird. Die Bereitstellung des Stroms von einer Seite spart aktive Siliziumfläche und verursacht keine grundlegenden neuen Schaltungsentwürfe wegen der hervorstehenden Silizium-Durchkontaktierungen, insbesondere bei großen Speicherblöcken.
Die 3-D-VLSI-Architektur 200 weist außerdem eine Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 auf, die eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitssignalisierungseinheiten umfasst, zu denen Speicher, Switches, Speichercontroller oder dergleichen gehören können. Um den Hochgeschwindigkeitssignalisierungseinheiten der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 Strom bereitzustellen, stellt die 3-D-VLSI-Architektur 200 die Mikro-C4-Schicht (μC4-Schicht) 210 bereit. Der Strom fließt von der Stromzufuhrschicht 204 durch C4-Lötkugeln 206, durch die Prozessorschicht 202 über Silizium-Durchkontaktierungen (TSV) innerhalb des Siliziumschips der Prozessorschicht und durch die μC4-Schicht 210 zur Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208. Eine Kontaktfläche auf einer Seite des Chips der Prozessorschicht 202 stellt eine Verbindung von einer oder mehreren C4-Lötkugeln der C4-Lötkugeln 206 zu einer Silizium-Durchkontaktierung in der Prozessorschicht 202 bereit, die Strom durch die Prozessorschicht 202 zu einer Kontaktfläche auf der anderen Seite der Prozessorschicht 202 leitet. Die Kontaktfläche auf der anderen Seite der Prozessorschicht 202 stellt eine Verbindung von jeder Silizium-Durchkontaktierung zu einer μC4-Lötkugel in der μC4-Schicht 210 bereit. Die Verwendung von μC4-Einheiten in der μC4-Schicht 210 ermöglicht eine höhere Verbindungsdichte zwischen der Prozessorschicht 202 und der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208. Strom kann ferner von der μC4-Schicht 210 zu einer Seite der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 geleitet werden. Eine Kontaktfläche auf einer Seite der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 stellt eine Verbindung von einem oder mehreren μC4-Chips in der μC4-Schicht 210 zu einer Silizium-Durchkontaktierung in der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 bereit, die den Strom durch die Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 zu einer Kontaktfläche auf der anderen Seite der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 leitet. Obwohl nur eine Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 abgebildet ist, lassen die veranschaulichenden Ausführungsformen erkennen, dass eine beliebige Anzahl von Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schichten realisiert und über weitere Schichten von C4-Lötkugeln und Silizium-Durchkontaktierungen verbunden werden kann.
Die μC4-Schicht 210 führt nicht nur der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 Strom zu, sondern die μC4-Schicht 210 stellt auch, ähnlich wie in der obigen Beschreibung der Stromzufuhr von einer Schicht zur anderen, in umgekehrter Weise Verbindungen zur Signalisierung zwischen der Hochgeschwindigkeits-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit 202 und der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 bereit. Damit die Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 Signale zum Datenverarbeitungssystem 212 übertragen und von dort empfangen kann, ist die Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 über eine zweite Vielzahl von C4-Lötkugeln 216 mit dem Substrat/der Platine 214 des Datenverarbeitungssystems 212 verbunden. Außer der Bereitstellung von Verbindungen zur Hochgeschwindigkeitssignalisierung und für E/A-Zwecke kann die zweite Vielzahl von C4-Lötkugeln 216 auch Verbindungen für Masse sowie für beliebige Anforderungen zur Versorgung mit geringem Strom bereitstellen, die nicht durch die Stromzufuhrschicht 204 über die μC4-Schicht 210 bereitgestellt werden können. Daher weist die Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 C4-Stifte für Signale auf, die mit Massestiften für Abschirmung, Stromzufuhr, Referenzmasse und optionale Stromzufuhr für Chips mit geringem bzw. geringerem Strombedarf vermischt sind.
Daher stellt die 3-D-VLSI-Architektur 200 spezielle E/As für Signale/Masse über eine Seite des 3-D-Stapels und für Spannung/Masse über eine gegenüberliegende Seite des 3-D-Stapels bereit. Für Verbindungen sowohl zur Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit 202 als auch zur Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 stellen die veranschaulichenden Ausführungsformen unterschiedliche spezielle Technologien wie zum Beispiel C4-Einheiten, μC4-Einheiten oder Makro-C4-Einheiten in unterschiedlichen Geometrien und Abständen bereit. Das Stromzufuhrsystem 204 kann Strom über Stromversorgungsflächen oder Stromversorgungsbahnen bereitstellen, während der Hochgeschwindigkeitssignalisierungs- und E/A-Schicht 208 über das Substrat/die Platine 214 induktive, kapazitive oder optische Signale bereitgestellt werden können. Die flexiblere und feiner abgestimmte Anordnung von Stromversorgungsstiften für unterschiedliche Stromversorgungsbereiche der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit 202 verringert die Einschränkungen, die mit der Vermischung von Signalisierung und E/As mit der Stromversorgung verbunden sind. Das heißt, dass die unterschiedlichen C4-Abstände und -Geometrien die zu einer ersten Vielzahl von C4-Lötkugeln 206 gehören, Stromversorgungsbereiche von Verarbeitungseinheiten/Verarbeitungskernen der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit 202 abbilden. Des Weiteren werden die Induktivitäten bei der Stromzufuhr und daher das Stromrauschen in den Signal- und E/A-Pfaden verringert, wenn die Stromversorgung nicht mit der Signalisierung und den E/As vermischt wird.
In den 3A bis 3C ist ein Beispiel einer Realisierung eines Stromzufuhrsystems gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform abgebildet. Bei der in 3A gezeigten veranschaulichenden Ausführungsform weist der Kühlkörper 302 Nuten 304 an einer Fläche des Kühlkörpers 302 auf, die direkt mit einer ersten Vielzahl von C4-Lötkugeln verbunden werden, die Verbindungen zu einer Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit bereitstellen. Jede Nut der Nuten 304 weist Isoliermaterial 310 zwischen dem Metall des Kühlkörpers 302 und den Leitern 312 auf, die der ersten Vielzahl von C4-Lötkugeln einen Pfad für Strom und Masse von einer angeschlossenen Stromversorgung bereitstellen. Die Isoliermaterialien 310 können aus einem beliebigen Isoliermaterial wie zum Beispiel Keramik oder Oxiden wie beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2) oder Polymeren und dergleichen bestehen. Der Kühlkörper 302 kann aus einem beliebigen wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder dergleichen bestehen. Die Leiter 312 können aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder dergleichen bestehen. Je nach den erforderlichen Spannungen der Verarbeitungseinheiten/Verarbeitungskerne der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit können ein oder mehrere der Leiter 312 in den Nuten 304 eine Spannung liefern, während einer oder mehrere der anderen Leiter 312 eine andere Spannung liefern, zum Beispiel 1,00 Volt, 1,10 Volt, 1,20 Volt während einer oder mehrere der anderen Leiter 312 in den Nuten 304 Massepotenzial liefern können. Außerdem kann der Kühlkörper 302 als Massepotenzial verwendet werden, solange der Kühlkörper 302 mit dem Massepotenzial des Datenverarbeitungssystems verbunden ist. Die Verwendung des beispielhaften Kühlkörpers 302 stellt in der Stromzufuhr eine sehr niedrige Impedanz bereit, verringert das Rauschen und den Flächenbedarf, die mit anderen Arten von Stromzufuhrsystemen verbunden sind.
In 3B ist eine Vorderansicht des Kühlkörpers 302 gezeigt, aus der hervorgeht, dass sich die Nuten 304, die direkt mit einer ersten Vielzahl von C4-Lötkugeln verbunden werden, über die Vorderseite des Kühlkörpers 302 erstrecken. Diese Figur zeigt nur die Nuten ohne das Isoliermaterial oder das leitfähige Material. Bei diesem Beispiel wäre die Architektur der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit so gestaltet, dass die verschiedenen Stromversorgungsstifte der Verarbeitungseinheiten/Verarbeitungskerne der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit so angeordnet werden müssten, dass die C4-Stifte auf die Nuten 304 des Kühlkörpers 302 ausgerichtet wären. Die veranschaulichenden Ausführungsformen sind jedoch nicht nur auf die Bereitstellung gerader Nuten 304 beschränkt.
In 3C ist eine Vorderansicht des Kühlkörpers 302 abgebildet aus der hervorgeht, dass die Nuten 304 so ausgebildet sind, dass die Nuten 304 in Einklang mit der Anordnung von Verarbeitungseinheiten/Verarbeitungskernen der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit stehen. Diese Figur zeigt nur die Nuten ohne das Isoliermaterial oder das leitfähige Material. Daher können die Nuten 304 im Gegensatz zu den Nuten 304, die sich in einer geraden Linie über die Vorderseite des Kühlkörpers 302 oder über die gesamte Vorderseite des Kühlkörpers 302 erstrecken, so ausgebildet sein, dass die Nuten 304 mit der Anordnung der C4-Stifte in Einklang stehen, die zu den Verarbeitungseinheiten/Verarbeitungskernen der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit gehört.
Daher stellt der Kühlkörper der veranschaulichenden Ausführungsformen ein leitfähiges Material bereit, sodass der Kühlkörper der Hochleistungs-Prozessorschicht mit hoher Strombelastbarkeit eine Vielzahl von Spannungen ohne Unterbrechung der Verbindung bereitstellt. Die wärmetechnische Verbindung zwischen dem Wärmeleitschichtstoff und dem Kühlkörper kann allgemein mit Wärmeleitmedien (normalerweise mit Partikeln gefüllte Polymere) vorgenommen werden, beispielsweise mit Wärmeleitfett, Wärmeleitkitt, Wärmeleitkissen oder durch Löten oder Aufschmelzen.

Claims

Dreidimensionale VLSI-Einheit (200), aufweisend: eine Prozessorschicht (202), die über eine erste Menge von Verbindungseinheiten (210) mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (208) verbunden ist; und einen Kühlkörper (302), der über eine zweite Menge von Verbindungseinheiten mit der Prozessorschicht verbunden ist, wobei: der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten (304) aufweist, jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereitstellt, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen, der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom ausgestaltet ist und den Elementen der dreidimensionalen VLSI-Einheit keine Datenaustauschsignale bereitstellt, und die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht ausgestaltet ist und den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereitstellt.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 1, bei der jede Nut in der Vielzahl von Nuten ein Isoliermaterial (310) zwischen dem Kühlkörper und einem Leiter (312) aufweist, der entweder den Pfad für Strom oder den Pfad für Masse bereitstellt.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 2, bei der das Isoliermaterial zumindest eines aus der Gruppe Keramik, ein Oxid oder ein Polymer ist.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 3, bei der das Oxid zumindest eines von Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid ist und die Keramik Aluminiumnitrid ist.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 2, bei der der Kühlkörper ein wärmeleitfähiges Material ist und bei der das wärmeleitfähige Material zumindest eines aus der Gruppe Kupfer oder Aluminium ist.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 2, bei der der Leiter aus zumindest einem Material aus der Gruppe von Kupfer oder Aluminium ist.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 1, bei der der Kühlkörper Massepotenzial für die Prozessorschicht bereitstellt.
Dreidimensionale VLSI-Einheit nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von Nuten im Einklang mit der Anordnung einer Vielzahl von Prozessoren in der Prozessorschicht steht.
Datenverarbeitungssystem (212), aufweisend: eine Prozessorschicht (202), die über eine erste Menge von Verbindungseinheiten (210) mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (208) verbunden ist; und einen Kühlkörper (302), der über eine zweite Menge von Verbindungseinheiten (206, 204) mit der Prozessorschicht verbunden ist, wobei: der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten (304) aufweist, jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereitstellt, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen, der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom ausgestaltet ist und den Elementen des Datenverarbeitungssystems keine Datenaustauschsignale bereitstellt, und die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht ausgestaltet ist und den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereitstellt.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 9, bei dem jede Nut in der Vielzahl von Nuten ein Isoliermaterial (310) zwischen dem Kühlkörper und einem Leiter (312) aufweist, der entweder den Pfad für Strom oder den Pfad für Masse bereitstellt.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 10, bei dem das Isoliermaterial zumindest eines aus der Gruppe Keramik, ein Oxid oder ein Polymer ist.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 11, bei dem das Oxid zumindest eines von Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid ist und die Keramik Aluminiumnitrid ist.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 10, bei dem der Kühlkörper ein wärmeleitfähiges Material ist und bei dem das wärmeleitfähige Material zumindest eines aus der Gruppe von Kupfer oder Aluminium ist.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 10, bei dem der Leiter zumindest aus einem Material aus der Gruppe Kupfer oder Aluminium ist.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 9, bei dem der Kühlkörper Massepotenzial für die Prozessorschicht bereitstellt.
Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 9, bei dem die Vielzahl von Nuten im Einklang mit der Anordnung einer Vielzahl von Prozessoren in der Prozessorschicht steht.
Verfahren in einem Datenverarbeitungssystem (212) zur integrierten Stromzufuhr für und Stromverteilung auf integrierte Schaltkreise über einen Kühlkörper (302) in einer dreidimensionalen VLSI-Einheit (200), wobei das Verfahren aufweist: Verbinden einer Prozessorschicht (202) mit mindestens einer Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Schicht (208) unter Verwendung einer ersten Menge von Verbindungseinheiten (210); und Verbinden des Kühlkörpers (302) mit der Prozessorschicht unter Verwendung einer zweiten Menge von Verbindungseinheiten, wobei: der Kühlkörper an einer Fläche eine Vielzahl von Nuten (304) aufweist, jede Nut in der Vielzahl von Nuten entweder einen Pfad für Strom oder einen Pfad für Masse bereitstellt, die der Prozessorschicht zugeführt werden sollen, der Kühlkörper nur zur Zufuhr von Strom ausgestaltet ist und den Elementen der dreidimensionalen VLSI-Einheit keine Datenaustauschsignale bereitstellt, und die mindestens eine Signalisierungs- und Eingabe/Ausgabe-Einheit nur zum Übertragen der Datenaustauschsignale an die Prozessorschicht und zum Empfangen der Datenaustauschsignale von der Prozessorschicht ausgestaltet Ist und den Elementen der Prozessorschicht keinen Strom bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem jede Nut in der Vielzahl von Nuten ein Isoliermaterial (310) zwischen dem Kühlkörper und einem Leiter (312) aufweist, der entweder den Pfad für Strom oder den Pfad für Masse bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Isoliermaterial zumindest eines aus der Gruppe Keramik, ein Oxid oder ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Oxid zumindest eines von Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid ist und die Keramik Aluminiumnitrid ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Kühlkörper ein wärmeleitfähiges Material ist und bei dem das wärmeleitfähige Material zumindest eines aus der Gruppe Kupfer oder Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Leiter zumindest aus einem Material aus der Gruppe von Kupfer oder Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Kühlkörper Massepotenzial für die Prozessorschicht bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Vielzahl von Nuten im Einklang mit der Anordnung einer Vielzahl von Prozessoren in der Prozessorschicht steht.