زمانی که پردازنده های دسکتاپ برای اولین بار 1 گیگاهرتز را شکستند، برای مدتی به نظر می رسید که جایی برای رفتن وجود ندارد. در ابتدا امکان افزایش فرکانس به دلیل فرآیندهای فنی جدید وجود داشت، اما پیشرفت فرکانس ها در نهایت به دلیل نیازهای رو به رشد برای حذف گرما کند شد. حتی رادیاتورها و فن های عظیم گاهی وقت لازم برای حذف گرما از قوی ترین تراشه ها را ندارند.
محققان سوئیسی تصمیم گرفتند این کار را انجام دهند با عبور مایع از خود کریستال. آنها تراشه و سیستم خنک‌کننده را به‌صورت یک واحد طراحی کردند که کانال‌های سیال روی تراشه در نزدیکی داغ‌ترین بخش‌های تراشه قرار گرفته بودند. نتیجه افزایش چشمگیر عملکرد با اتلاف گرمای کارآمد است.
بخشی از مشکل حذف گرما از تراشه این است که معمولاً چندین مرحله را شامل می شود: گرما از تراشه به بسته بندی تراشه، سپس از بسته بندی به هیت سینک و سپس به هوا (خمیر حرارتی، محفظه های بخار و غیره) منتقل می شود. همچنین ممکن است در این فرآیند دخیل باشد. در مجموع، این مقدار حرارتی را که می توان از تراشه حذف کرد، محدود می کند. این در مورد سیستم های خنک کننده مایع که در حال حاضر استفاده می شوند نیز صادق است. قرار دادن تراشه مستقیماً در یک مایع رسانای گرما امکان پذیر است، اما مایع دوم نباید جریان الکتریکی را هدایت کند یا وارد واکنش های شیمیایی با قطعات الکترونیکی شود.
قبلاً چندین نمایش از خنک کننده مایع روی تراشه وجود داشته است. معمولاً ما در مورد سیستمی صحبت می کنیم که در آن دستگاهی با مجموعه ای از کانال های مایع روی یک کریستال ذوب می شود و خود مایع از طریق آن پمپ می شود. این اجازه می دهد تا گرما به طور موثر از تراشه حذف شود، اما پیاده سازی های اولیه نشان داد که فشار زیادی در کانال ها وجود دارد و پمپاژ آب به این روش به انرژی زیادی نیاز دارد - بیش از آنچه از پردازنده حذف می شود. این امر باعث کاهش راندمان انرژی سیستم می شود و علاوه بر آن استرس مکانیکی خطرناکی بر روی تراشه ایجاد می کند.
تحقیقات جدید ایده هایی را برای بهبود کارایی سیستم های خنک کننده روی تراشه ایجاد می کند. برای یک راه حل، می توان از سیستم های خنک کننده سه بعدی استفاده کرد - میکروکانال هایی با کلکتور داخلی (میکروکانال های منیفولد تعبیه شده، EMMC). در آنها، یک منیفولد سلسله مراتبی سه بعدی جزئی از یک کانال است که دارای چندین پورت برای توزیع مایع خنک کننده است.
محققان یک میکروکانال منیفولد یکپارچه (mMMC) را با ادغام EMMC مستقیماً روی تراشه توسعه دادند. کانال های مخفی درست در زیر نواحی فعال تراشه ساخته می شوند و مایع خنک کننده مستقیماً در زیر منابع گرما جریان می یابد. برای ایجاد mMMC، ابتدا، شکاف های باریک برای کانال ها بر روی یک بستر سیلیکونی پوشیده شده با یک نیمه هادی - نیترید گالیم (GaN) حک می شود. سپس از اچ کردن با گاز همسانگرد استفاده می شود تا شکاف های موجود در سیلیکون به عرض کانال مورد نیاز افزایش یابد. پس از این، سوراخ های لایه GaN روی کانال ها با مس مهر و موم می شوند. تراشه را می توان در یک لایه GaN ساخت. این فرآیند نیازی به سیستم اتصال بین کلکتور و دستگاه ندارد.
محققان یک ماژول الکترونیکی قدرت را اجرا کرده اند که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند. با کمک آن، جریان های حرارتی بیش از 1,7 کیلو وات بر سانتی متر مربع را می توان با استفاده از قدرت پمپاژ 2 وات بر سانتی متر مربع خنک کرد. علاوه بر این، این سیستم بازده تبدیل بسیار بالاتری را نسبت به دستگاه خنک‌نشده مشابه به دلیل عدم گرمایش خود نشان می‌دهد.
با این حال، نباید انتظار ظهور قریب الوقوع تراشه های مبتنی بر GaN با سیستم خنک کننده یکپارچه را داشته باشید - تعدادی از مسائل اساسی مانند پایداری سیستم، محدودیت های دما و غیره هنوز باید حل شوند. و با این حال، این گام مهمی به سوی آینده ای روشن تر و سردتر است.
منابع:
منبع: 3dnews.ru