חוקרים בנו קירור נוזלי בתוך גביש מוליכים למחצה

כאשר מעבדים שולחניים שברו לראשונה את 1 GHz, לזמן מה נראה היה שאין לאן ללכת. בתחילה, ניתן היה להגביר את התדירות עקב תהליכים טכניים חדשים, אך התקדמות התדרים הואטה בסופו של דבר עקב הדרישות הגדלות והולכות להסרת חום. אפילו רדיאטורים ומאווררים מסיביים לפעמים אין להם זמן להסיר חום מהשבבים החזקים ביותר.

חוקרים משוויץ החליטו לנסות דרך חדשה להסיר חום על ידי העברת נוזל דרך הגביש עצמו. הם תכננו את השבב ומערכת הקירור כיחידה אחת, עם תעלות נוזל על השבב הממוקמות ליד החלקים החמים ביותר של השבב. התוצאה היא עלייה מרשימה בביצועים עם פיזור חום יעיל.

חלק מהבעיה עם הוצאת חום מהשבב היא שבדרך כלל היא כוללת מספר שלבים: חום מועבר מהשבב לאריזת השבב, לאחר מכן מהאריזה לגוף הקירור, ואז לאוויר (משחה תרמית, תאי אדים וכו'. עשוי להיות מעורב בתהליך נוסף). בסך הכל, זה מגביל את כמות החום שניתן להסיר מהשבב. זה נכון גם עבור מערכות קירור נוזליות שנמצאות כיום בשימוש. אפשר יהיה למקם את השבב ישירות בנוזל מוליך תרמית, אבל זה האחרון לא צריך להוליך חשמל או להיכנס לתגובות כימיות עם רכיבים אלקטרוניים.

כבר היו מספר הדגמות של קירור נוזלי על-שבב. בדרך כלל אנחנו מדברים על מערכת שבה מכשיר עם סט של תעלות לנוזל נמזג על גבי גביש, והנוזל עצמו נשאב דרכו. זה מאפשר הוצאת חום ביעילות מהשבב, אבל יישומים ראשוניים הראו שיש הרבה לחץ בתעלות ושאיבת מים בצורה כזו דורשת הרבה אנרגיה - יותר ממה שמוציאים מהמעבד. זה מפחית את היעילות האנרגטית של המערכת ובנוסף יוצר לחץ מכני מסוכן על השבב.

מחקר חדש מפתח רעיונות לשיפור היעילות של מערכות קירור על-שבב. לפתרון ניתן להשתמש במערכות קירור תלת מימדיות - מיקרו ערוצים עם קולט מובנה (מיקרו ערוצים משובצים סעפת, EMMC). בהם סעפת היררכית תלת מימדית היא מרכיב של תעלה שיש לה מספר יציאות להפצת נוזל קירור.

החוקרים פיתחו מיקרו-ערוץ סעפת מונוליטי (mMMC) על ידי שילוב EMMC ישירות על השבב. תעלות נסתרות בנויות ממש מתחת לאזורים הפעילים של השבב, ונוזל הקירור זורם ישירות מתחת למקורות החום. כדי ליצור mMMC, ראשית, חריצים צרים לערוצים נחרטים על מצע סיליקון המצופה במוליך למחצה - גליום ניטריד (GaN); לאחר מכן נעשה שימוש בתחריט בגז איזוטרופי כדי להרחיב את הפערים בסיליקון לרוחב התעלה הנדרש; לאחר מכן, החורים בשכבת GaN מעל התעלות נאטמים בנחושת. ניתן לייצר את השבב בשכבת GaN. תהליך זה אינו מצריך מערכת חיבור בין הקולט למכשיר.

החוקרים יישמו מודול אלקטרוני כוח הממיר זרם חילופין לזרם ישר. בעזרתו ניתן לקרר זרמי חום של יותר מ-1,7 קילוואט/סמ"ר באמצעות עוצמת שאיבה של 2 ואט/ס"מ בלבד. בנוסף, המערכת מציגה יעילות המרה גבוהה בהרבה ממכשיר לא מקורר דומה בגלל היעדר חימום עצמי.

עם זאת, אינך צריך לצפות להופעה הקרובה של שבבים מבוססי GaN עם מערכת קירור משולבת - עדיין יש לפתור מספר בעיות בסיסיות, כגון יציבות המערכת, מגבלות טמפרטורה וכו'. ועדיין, זהו צעד משמעותי קדימה לעבר עתיד בהיר וקר יותר.

מקורות:

• arstechnica.com
• טבע

מקור: 3dnews.ru