Cuando los procesadores de escritorio superaron por primera vez 1 GHz, por un tiempo pareció que no había adónde ir. Al principio fue posible aumentar la frecuencia gracias a nuevos procesos técnicos, pero con el tiempo el avance de las frecuencias se ralentizó debido a las crecientes necesidades de eliminación de calor. Incluso los radiadores y ventiladores de gran tamaño a veces no tienen tiempo para eliminar el calor de los chips más potentes.
Investigadores de Suiza decidieron intentarlo. haciendo pasar líquido a través del propio cristal. Diseñaron el chip y el sistema de refrigeración como una sola unidad, con canales de fluido en el chip colocados cerca de las partes más calientes del chip. El resultado es un impresionante aumento del rendimiento con una eficiente disipación del calor.
Parte del problema de eliminar el calor de un chip es que normalmente implica varias etapas: el calor se transfiere del chip al embalaje del chip, luego del embalaje al disipador y luego al aire (pasta térmica, cámaras de vapor, etc.). .. también puede estar involucrado en el proceso Más adelante). En total, esto limita la cantidad de calor que se puede eliminar del chip. Esto también es válido para los sistemas de refrigeración líquida actualmente en uso. Sería posible colocar el chip directamente en un líquido termoconductor, pero este último no debería conducir electricidad ni entrar en reacciones químicas con componentes electrónicos.
Ya se han realizado varias demostraciones de refrigeración líquida en chip. Por lo general, estamos hablando de un sistema en el que un dispositivo con un conjunto de canales para líquido se fusiona sobre un cristal y el líquido se bombea a través de él. Esto permite eliminar eficazmente el calor del chip, pero las implementaciones iniciales mostraron que hay mucha presión en los canales y bombear agua de esta manera requiere mucha energía, más de la que se elimina del procesador. Esto reduce la eficiencia energética del sistema y además crea una tensión mecánica peligrosa en el chip.
Una nueva investigación desarrolla ideas para mejorar la eficiencia de los sistemas de refrigeración en chip. Como solución, se pueden utilizar sistemas de refrigeración tridimensionales: microcanales con un colector incorporado (microcanales colectores integrados, EMMC). En ellos, un colector jerárquico tridimensional es componente de un canal que tiene varios puertos para la distribución de refrigerante.
Los investigadores desarrollaron un microcanal múltiple integrado monolíticamente (mMMC) integrando EMMC directamente en el chip. Se construyen canales ocultos justo debajo de las áreas activas del chip y el refrigerante fluye directamente debajo de las fuentes de calor. Para crear mMMC, primero se graban ranuras estrechas para canales en un sustrato de silicio recubierto con un semiconductor: nitruro de galio (GaN); luego se utiliza grabado con un gas isotrópico para ampliar los espacios en el silicio hasta el ancho de canal requerido; Después de esto, los agujeros en la capa de GaN sobre los canales se sellan con cobre. El chip se puede fabricar en una capa de GaN. Este proceso no requiere un sistema de conexión entre el colector y el dispositivo.
Los investigadores han implementado un módulo electrónico de potencia que convierte la corriente alterna en corriente continua. Con su ayuda se pueden enfriar flujos de calor de más de 1,7 kW/cm2 con una potencia de bombeo de sólo 0,57 W/cm2. Además, el sistema muestra una eficiencia de conversión mucho mayor que un dispositivo similar sin refrigeración debido a la falta de autocalentamiento.
Sin embargo, no se debe esperar la inminente aparición de chips basados en GaN con un sistema de refrigeración integrado: aún es necesario resolver una serie de cuestiones fundamentales, como la estabilidad del sistema, los límites de temperatura, etc. Y, sin embargo, este es un importante paso adelante hacia un futuro más brillante y frío.
Fuentes:
Fuente: 3dnews.ru