Kada su desktop procesori prvi put probili 1 GHz, neko vrijeme se činilo da nema kuda. U početku je bilo moguće povećati frekvenciju zbog novih tehničkih procesa, ali je napredak frekvencija na kraju usporen zbog sve većih zahtjeva za odvođenjem topline. Čak i masivni radijatori i ventilatori ponekad nemaju vremena za uklanjanje topline iz najmoćnijih čipova.
Istraživači iz Švicarske odlučili su pokušati propuštanjem tečnosti kroz sam kristal. Dizajnirali su čip i sistem za hlađenje kao jednu celinu, sa kanalima za fluid na čipu postavljenim u blizini najtoplijih delova čipa. Rezultat je impresivno povećanje performansi uz efikasno odvođenje topline.
Dio problema s odvođenjem topline iz čipa je to što obično uključuje nekoliko faza: toplina se prenosi sa čipa na ambalažu čipa, zatim iz ambalaže na hladnjak, a zatim na zrak (termalna pasta, parne komore, itd. takođe može biti uključen u proces Dalje). Ukupno, ovo ograničava količinu topline koja se može ukloniti iz čipa. Ovo važi i za sisteme za tečno hlađenje koji se trenutno koriste. Čip bi bilo moguće postaviti direktno u toplotno vodljivu tečnost, ali ova druga ne bi trebalo da provodi električnu energiju niti ulazi u hemijske reakcije sa elektronskim komponentama.
Već je bilo nekoliko demonstracija tečnog hlađenja na čipu. Obično govorimo o sistemu u kojem je uređaj sa setom kanala za tečnost fuzionisan na kristal, a sama tečnost se pumpa kroz njega. Ovo omogućava efikasno uklanjanje toplote iz čipa, ali početne implementacije su pokazale da postoji veliki pritisak u kanalima i pumpanje vode na ovaj način zahteva mnogo energije – više nego što je uklonjeno iz procesora. Ovo smanjuje energetsku efikasnost sistema i dodatno stvara opasan mehanički stres na čipu.
Novo istraživanje razvija ideje za poboljšanje efikasnosti sistema za hlađenje na čipu. Za rješenje se mogu koristiti trodimenzionalni sistemi hlađenja - mikrokanali sa ugrađenim kolektorom (embedded manifold microchannels, EMMC). U njima je trodimenzionalni hijerarhijski razvodnik komponenta kanala koji ima nekoliko priključaka za distribuciju rashladne tekućine.
Istraživači su razvili monolitno integrirani višestruki mikrokanal (mMMC) integracijom EMMC-a direktno na čip. Skriveni kanali su izgrađeni tačno ispod aktivnih područja čipa, a rashladna tečnost teče direktno ispod izvora toplote. Da bi se stvorio mMMC, prvo, uski prorezi za kanale su urezani na silicijumskoj podlozi obloženoj poluprovodnikom—galijum nitridom (GaN); zatim se koristi jetkanje sa izotropnim gasom za proširenje praznina u silicijumu na potrebnu širinu kanala; Nakon toga, rupe u sloju GaN preko kanala su zapečaćene bakrom. Čip se može proizvesti u GaN sloju. Ovaj proces ne zahtijeva sistem veze između kolektora i uređaja.
Istraživači su implementirali energetski elektronski modul koji pretvara naizmjeničnu struju u jednosmjernu struju. Uz njegovu pomoć, toplinski tokovi veći od 1,7 kW/cm2 mogu se hladiti uz pomoć snage pumpanja od samo 0,57 W/cm2. Pored toga, sistem pokazuje mnogo veću efikasnost konverzije od sličnog nehlađenog uređaja zbog nedostatka samozagrevanja.
Međutim, ne treba očekivati skoru pojavu čipova baziranih na GaN-u sa integrisanim sistemom hlađenja – još uvek treba rešiti niz fundamentalnih pitanja, kao što su stabilnost sistema, temperaturna ograničenja i tako dalje. Pa ipak, ovo je značajan korak naprijed ka svjetlijoj i hladnijoj budućnosti.
Izvori:
izvor: 3dnews.ru