Изследователите са изградили течно охлаждане вътре в полупроводников кристал

Когато процесорите за настолни компютри за първи път пробиха 1 GHz, за известно време изглеждаше, че няма къде да отиде. Първоначално беше възможно да се увеличи честотата поради нови технически процеси, но прогресът на честотите в крайна сметка се забави поради нарастващите изисквания за отстраняване на топлината. Дори масивните радиатори и вентилатори понякога нямат време да отстранят топлината от най-мощните чипове.

Изследователи от Швейцария решиха да опитат нов начин за премахване на топлината чрез преминаване на течност през самия кристал. Те проектираха чипа и охладителната система като едно цяло, с флуидни канали в чипа, разположени близо до най-горещите части на чипа. Резултатът е впечатляващо увеличение на производителността с ефективно разсейване на топлината.

Част от проблема с отстраняването на топлина от чип е, че то обикновено включва няколко етапа: топлината се прехвърля от чипа към опаковката на чипа, след това от опаковката към радиатора и след това към въздуха (термична паста, парни камери и т.н. .може също да участва в процеса Допълнително). Като цяло това ограничава количеството топлина, което може да бъде отстранено от чипа. Това важи и за системите за течно охлаждане, които се използват в момента. Би било възможно чипът да се постави директно в топлопроводима течност, но последната не трябва да провежда електричество или да влиза в химически реакции с електронни компоненти.

Вече има няколко демонстрации на течно охлаждане на чипа. Обикновено говорим за система, в която устройство с набор от канали за течност се разтопява върху кристал, а самата течност се изпомпва през него. Това позволява ефективно отстраняване на топлината от чипа, но първоначалните реализации показаха, че има голямо налягане в каналите и изпомпването на вода по този начин изисква много енергия - повече, отколкото се отстранява от процесора. Това намалява енергийната ефективност на системата и в допълнение създава опасно механично напрежение върху чипа.

Нови изследвания развиват идеи за подобряване на ефективността на системите за охлаждане в чип. За решение могат да се използват триизмерни системи за охлаждане - микроканали с вграден колектор (embedded manifold microchannels, EMMC). При тях триизмерен йерархичен колектор е компонент на канал, който има няколко порта за разпределение на охлаждащата течност.

Изследователите разработиха монолитно интегриран колекторен микроканал (mMMC) чрез интегриране на EMMC директно в чипа. Точно под активните зони на чипа са изградени скрити канали, а охлаждащата течност тече директно под източниците на топлина. За да се създаде mMMC, първо, тесни слотове за канали се гравират върху силициева подложка, покрита с полупроводник - галиев нитрид (GaN); след това се използва ецване с изотропен газ за разширяване на празнините в силиция до необходимата ширина на канала; След това дупките в слоя GaN над каналите се запечатват с мед. Чипът може да бъде произведен в GaN слой. Този процес не изисква система за свързване между колектора и устройството.

Изследователите са внедрили захранващ електронен модул, който преобразува променлив ток в постоянен ток. С негова помощ могат да се охлаждат топлинни потоци от над 1,7 kW/cm2, като се използва изпомпваща мощност от само 0,57 W/cm2. В допълнение, системата показва много по-висока ефективност на преобразуване от подобно неохлаждано устройство поради липсата на самонагряване.

Не бива обаче да очаквате скорошната поява на базирани на GaN чипове с интегрирана система за охлаждане - все още трябва да бъдат решени редица фундаментални проблеми, като стабилност на системата, температурни ограничения и т.н. И все пак това е значителна крачка напред към едно по-светло и студено бъдеще.

Източници:

• arstechnica.com
• природа

Източник: 3dnews.ru