Kad su procesori za stolna računala prvi put probili 1 GHz, neko se vrijeme činilo da nema kamo otići. U početku je bilo moguće povećati frekvenciju zahvaljujući novim tehničkim procesima, ali se napredak frekvencija s vremenom usporio zbog sve većih zahtjeva za odvođenjem topline. Čak i masivni radijatori i ventilatori ponekad nemaju vremena ukloniti toplinu iz najjačih čipova.
Istraživači iz Švicarske odlučili su pokušati prolaskom tekućine kroz sam kristal. Dizajnirali su čip i sustav hlađenja kao jednu jedinicu, s kanalima za tekućinu na čipu smještenim blizu najtoplijih dijelova čipa. Rezultat je impresivno povećanje performansi uz učinkovitu disipaciju topline.
Dio problema s uklanjanjem topline s čipa je taj što obično uključuje nekoliko faza: toplina se prenosi s čipa na pakiranje čipa, zatim s pakiranja na hladnjak, a zatim na zrak (termalna pasta, parne komore itd.). . također mogu biti uključeni u proces Nadalje). Ukupno, ovo ograničava količinu topline koja se može ukloniti iz čipa. Ovo također vrijedi za sustave tekućeg hlađenja koji se trenutno koriste. Čip bi bilo moguće smjestiti izravno u toplinski vodljivu tekućinu, ali potonja ne bi trebala provoditi struju niti ulaziti u kemijske reakcije s elektroničkim komponentama.
Već je bilo nekoliko demonstracija hlađenja tekućinom na čipu. Obično govorimo o sustavu u kojem je uređaj sa skupom kanala za tekućinu spojen na kristal, a sama tekućina se pumpa kroz njega. To omogućuje učinkovito uklanjanje topline iz čipa, ali početne implementacije su pokazale da postoji veliki pritisak u kanalima i da pumpanje vode na ovaj način zahtijeva puno energije - više nego što se uklanja iz procesora. To smanjuje energetsku učinkovitost sustava i dodatno stvara opasno mehaničko naprezanje na čipu.
Nova istraživanja razvijaju ideje za poboljšanje učinkovitosti rashladnih sustava na čipu. Kao rješenje mogu se koristiti trodimenzionalni sustavi hlađenja - mikrokanali s ugrađenim kolektorom (embedded manifold microchannels, EMMC). U njima je trodimenzionalni hijerarhijski razvodnik sastavni dio kanala koji ima nekoliko priključaka za distribuciju rashladne tekućine.
Istraživači su razvili monolitno integrirani razvodni mikrokanal (mMMC) integracijom EMMC-a izravno na čip. Skriveni kanali izgrađeni su točno ispod aktivnih područja čipa, a rashladna tekućina teče izravno ispod izvora topline. Da bi se stvorio mMMC, prvo se uski prorezi za kanale urezuju na silikonsku podlogu obloženu poluvodičem—galijevim nitridom (GaN); tada se koristi jetkanje s izotropnim plinom za proširenje praznina u siliciju do potrebne širine kanala; Nakon toga, rupe u GaN sloju iznad kanala su zapečaćene bakrom. Čip se može proizvesti u sloju GaN. Ovaj proces ne zahtijeva sustav povezivanja između kolektora i uređaja.
Istraživači su implementirali energetski elektronički modul koji pretvara izmjeničnu struju u istosmjernu. Uz njegovu pomoć, toplinski tokovi veći od 1,7 kW/cm2 mogu se hladiti uz snagu pumpanja od samo 0,57 W/cm2. Osim toga, sustav pokazuje puno veću učinkovitost pretvorbe od sličnog nehlađenog uređaja zbog nedostatka samozagrijavanja.
Međutim, ne biste trebali očekivati skori izgled čipova na bazi GaN s integriranim sustavom hlađenja - još uvijek treba riješiti niz temeljnih pitanja, poput stabilnosti sustava, temperaturnih ograničenja i tako dalje. Pa ipak, ovo je značajan korak naprijed prema svjetlijoj i hladnijoj budućnosti.
Izvori:
Izvor: 3dnews.ru