Když stolní procesory poprvé prolomily 1 GHz, chvíli to vypadalo, že není kam jít. Zpočátku bylo možné zvýšit frekvenci díky novým technickým postupům, ale postup frekvencí se nakonec zpomalil kvůli rostoucím požadavkům na odvod tepla. Ani masivní radiátory a ventilátory někdy nestihnou odebrat teplo z nejvýkonnějších čipů.
Výzkumníci ze Švýcarska se rozhodli zkusit průchodem kapaliny samotným krystalem. Navrhli čip a chladicí systém jako jednu jednotku s tekutinovými kanálky na čipu umístěnými v blízkosti nejžhavějších částí čipu. Výsledkem je působivé zvýšení výkonu s účinným odvodem tepla.
Část problému s odstraňováním tepla z čipu spočívá v tom, že obvykle zahrnuje několik fází: teplo se přenáší z čipu do obalu čipu, poté z obalu do chladiče a poté do vzduchu (tepelná pasta, parní komory atd. Dále může být zapojen do procesu. Celkově to omezuje množství tepla, které lze z čipu odebrat. To platí také pro systémy kapalinového chlazení, které se v současnosti používají. Čip by bylo možné umístit přímo do tepelně vodivé kapaliny, ta by však neměla vést elektřinu ani vstupovat do chemických reakcí s elektronickými součástkami.
Již bylo několik ukázek kapalinového chlazení na čipu. Obvykle mluvíme o systému, ve kterém je zařízení se sadou kanálů pro kapalinu nataveno na krystal a samotná kapalina je skrz něj čerpána. To umožňuje efektivní odvod tepla z čipu, ale počáteční implementace ukázaly, že v kanálech je velký tlak a čerpání vody tímto způsobem vyžaduje hodně energie – více, než je odváděno z procesoru. To snižuje energetickou účinnost systému a navíc vytváří nebezpečné mechanické namáhání čipu.
Nový výzkum rozvíjí nápady na zlepšení účinnosti chladicích systémů na čipu. Pro řešení lze použít trojrozměrné chladicí systémy - mikrokanály s vestavěným kolektorem (embedded manifold microchannels, EMMC). V nich je trojrozměrné hierarchické potrubí součástí kanálu, který má několik portů pro distribuci chladicí kapaliny.
Výzkumníci vyvinuli monoliticky integrovaný rozdělovací mikrokanál (mMMC) integrací EMMC přímo do čipu. Skryté kanály jsou zabudovány přímo pod aktivními oblastmi čipu a chladicí kapalina proudí přímo pod zdroje tepla. Pro vytvoření mMMC se nejprve úzké štěrbiny pro kanály vyleptají na křemíkový substrát potažený polovodičem – nitridem galia (GaN); poté se použije leptání izotropním plynem pro rozšíření mezer v křemíku na požadovanou šířku kanálu; Poté jsou otvory ve vrstvě GaN nad kanály utěsněny mědí. Čip může být vyroben ve vrstvě GaN. Tento proces nevyžaduje spojovací systém mezi kolektorem a zařízením.
Výzkumníci implementovali výkonový elektronický modul, který převádí střídavý proud na stejnosměrný proud. S jeho pomocí lze ochladit tepelné toky větší než 1,7 kW/cm2 při čerpacím výkonu pouhých 0,57 W/cm2. Kromě toho systém vykazuje mnohem vyšší účinnost konverze než podobné nechlazené zařízení z důvodu chybějícího samozahřívání.
Nečekejte však brzký výskyt čipů na bázi GaN s integrovaným chladicím systémem – je třeba vyřešit ještě řadu zásadních problémů, jako je stabilita systému, teplotní limity a tak dále. A přesto je to významný krok vpřed směrem ke světlejší a chladnější budoucnosti.
Zdroje:
Zdroj: 3dnews.ru