Da desktopprocessorer først brød 1 GHz, virkede det i et stykke tid, som om der ikke var nogen steder at tage hen. Til at begynde med var det muligt at øge frekvensen på grund af nye tekniske processer, men fremdriften af frekvenser aftog til sidst på grund af stigende krav til varmefjernelse. Selv massive radiatorer og ventilatorer har nogle gange ikke tid til at fjerne varme fra de mest kraftfulde chips.
Forskere fra Schweiz besluttede at prøve ved at lede væske gennem selve krystallen. De designede chippen og kølesystemet som en enkelt enhed med væskekanaler på chippen placeret nær de varmeste dele af chippen. Resultatet er en imponerende stigning i ydeevnen med effektiv varmeafledning.
En del af problemet med at fjerne varme fra en chip er, at det normalt involverer flere trin: varme overføres fra chippen til chipemballagen, derefter fra emballagen til kølepladen og derefter til luften (termisk pasta, dampkamre osv. kan også være involveret i processen. Samlet set begrænser dette mængden af varme, der kan fjernes fra chippen. Dette gælder også for væskekølesystemer, der i øjeblikket er i brug. Det ville være muligt at placere chippen direkte i en termisk ledende væske, men sidstnævnte bør ikke lede elektricitet eller indgå i kemiske reaktioner med elektroniske komponenter.
Der har allerede været flere demonstrationer af on-chip væskekøling. Normalt taler vi om et system, hvor en enhed med et sæt kanaler til væske smeltes sammen på en krystal, og selve væsken pumpes gennem den. Dette gør det muligt effektivt at fjerne varme fra chippen, men indledende implementeringer viste, at der er meget tryk i kanalerne, og at pumpe vand på denne måde kræver meget energi - mere end der fjernes fra processoren. Dette reducerer systemets energieffektivitet og skaber desuden farlig mekanisk belastning på chippen.
Ny forskning udvikler ideer til at forbedre effektiviteten af on-chip kølesystemer. Til en løsning kan der anvendes tredimensionelle kølesystemer - mikrokanaler med indbygget kollektor (embedded manifold microchannels, EMMC). I dem er en tredimensionel hierarkisk manifold en komponent i en kanal, der har flere porte til distribution af kølevæske.
Forskerne udviklede en monolitisk integreret manifold mikrokanal (mMMC) ved at integrere EMMC direkte på chippen. Skjulte kanaler er bygget lige under chippens aktive områder, og kølevæsken strømmer direkte under varmekilderne. For at skabe mMMC ætses først smalle spalter til kanaler på et siliciumsubstrat belagt med en halvleder-galliumnitrid (GaN); derefter bruges ætsning med en isotrop gas til at udvide hullerne i silicium til den nødvendige kanalbredde; Herefter forsegles hullerne i GaN-laget over kanalerne med kobber. Chippen kan fremstilles i et GaN-lag. Denne proces kræver ikke et forbindelsessystem mellem solfangeren og enheden.
Forskerne har implementeret et effektelektronikmodul, der konverterer vekselstrøm til jævnstrøm. Med dens hjælp kan varmestrømme på mere end 1,7 kW/cm2 køles med en pumpeeffekt på kun 0,57 W/cm2. Derudover udviser systemet meget højere konverteringseffektivitet end en lignende ukølet enhed på grund af manglen på selvopvarmning.
Du skal dog ikke forvente den forestående fremkomst af GaN-baserede chips med et integreret kølesystem - en række grundlæggende problemer mangler stadig at blive løst, såsom systemstabilitet, temperaturgrænser og så videre. Og alligevel er dette et væsentligt skridt fremad mod en lysere og koldere fremtid.
Kilder:
Kilde: 3dnews.ru