Die Thinning

Warum ein Chip nicht noch dünner gemacht werden kann

Mit den Prozessoren der neunten Core-Generation hat Intel damit begonnen, den Chip dünner zu schleifen, um die thermischen Eigenschaften zu verbessern und ein bestimmtes Takt-Ziel zu erreichen. Natürlich findet ein Abschleifen des Chips ohnehin statt, um die Chips allesamt auf eine definierte Höhe zu bringen, darüber hinaus wurden jedoch weitere Anstrengungen unternommen.

Bei der zehnten Core-Generation ging Intel das Thema dann erneut an und auch hier gab es noch die Unterscheidung zwischen CPU-Modellen mit verlötetem Heatspreader und solchen, wo zwischen Chip und Heatspreader noch Wärmeleitpaste zum Einsatz kam. Inzwischen setzen AMD und Intel nur noch auf ein Verlöten, da der Wärmeübergang am besten funktioniert. 

In wie weit Intel hier bereits auf dünnere Chips setzt, zeigt die Entwicklung in diesem Bereich: Bei Coffee-Lake-Chips (9. Core-Generation) beträgt die Dicke des Siliziums 800 µm, mit Comet Lake-S (10. Core-Generation) waren es dann nur noch 500 µm. Für Alder Lake-S (12. Core-Generation) reduziert Intel die Dicke um weitere 25 % auf 375 µm. Auch die Dicke der STIM-Schicht (Thermal Interface Material) soll kleiner ausfallen. Um die Bauhöhe beizubehalten, wird der Heatspreader entsprechend dicker. AMD ist für den Wechsel auf den neuen Sockel AM5 ebenfalls so vorgegangen, was zu einigen Kontroversen rund um die Temperaturen und Dicke des Heatspreaders geführt hat.

Warum macht Intel die Chips nicht noch dünner, denn selbst bei 500 µm ist man noch weit von den Schichten im Silizium entfernt, in denen sich die Transistoren befinden?

Roman Hartung hat ein Interview mit Mark Gallina, einem System Thermal and Mechanical Architect bei Intel, geführt. Auf die Frage warum man den Chip nicht noch dünner mache, zeigt dieser auf, wie sich die Wärme im Chip ausbreitet und abgeführt wird und dies geschehe nicht nur in eine Richtung, sondern in alle drei Dimensionen. Eine relativ kleine Fläche, im Grunde dort, wo sich die Kerne befinden, gibt ihre Abwärme an das darüberliegende Silizium ab und je mehr Volumen hier vorhanden ist, desto besser kann diese kleine Fläche die Abwärme an alle Richtungen abgeben – einfach gesprochen. Es gibt hier hier also einen Sweet Spot für die Dicke die Chips. Dieser liegt bei 200 bis 300 µm.

Warum allerdings bringt Intel den Chip dann nicht auf bis zu 300 oder gar 200 µm herunter in der Dicke? Dies liegt auch an der Handhabung der Chips. Das Abschleifen ist der letzte Schritt in der Fertigung und eventuelle Fehler an dieser Stelle würden sämtliche zuvor getätigten Prozesse gefährden.

Die mobilen Chips von Intel können übrigens bis zu 200 µm dünn sein. Hier wird aber auch auf einige Schichten verzichtet, da zum Beispiel kein Heatspreader zum Einsatz kommt. Ob eine 14. Core-Generation auf Basis von Meteor Lake (wenn Intel nicht noch einen Raptor-Lake-Refresh einschiebt und/oder Meteor Lake überhaupt für den Desktop erscheinen wird) noch dünner werden wird, wird sich also zeigen müssen und hängt auch davon ab, wie der Chip aufgebaut ist, wie groß die Kerne sind und welche Herausforderungen sich in der Fertigung ergeben.

Ebenfalls im Rahmen des Interviews eingegangen wird auf die Langzeitstabilität, bzw. eventuelle Gefahren durch den Einsatz von Flüssigmetall.

Das komplette, rund 30-minütige Interview findet sich im Video von der8auer: