Kad galddatoru procesori pirmo reizi salauza 1 GHz, kādu laiku šķita, ka nav kur iet. Sākumā bija iespējams palielināt frekvenci, pateicoties jauniem tehniskajiem procesiem, taču frekvenču virzība galu galā palēninājās, jo pieauga prasības siltuma noņemšanai. Pat masīviem radiatoriem un ventilatoriem dažreiz nav laika noņemt siltumu no visspēcīgākajām mikroshēmām.
Pētnieki no Šveices nolēma izmēģināt izlaižot šķidrumu caur pašu kristālu. Viņi izstrādāja mikroshēmu un dzesēšanas sistēmu kā vienu vienību ar mikroshēmas šķidruma kanāliem, kas novietoti mikroshēmas karstāko daļu tuvumā. Rezultāts ir iespaidīgs veiktspējas pieaugums ar efektīvu siltuma izkliedi.
Daļa no problēmas ar siltuma noņemšanu no mikroshēmas ir tā, ka tas parasti ietver vairākus posmus: siltums tiek pārnests no mikroshēmas uz mikroshēmas iepakojumu, pēc tam no iepakojuma uz radiatoru un pēc tam uz gaisu (termiskā pasta, tvaika kameras utt. . var būt iesaistīts arī procesā Tālāk). Kopumā tas ierobežo siltuma daudzumu, ko var noņemt no mikroshēmas. Tas attiecas arī uz pašlaik izmantotajām šķidruma dzesēšanas sistēmām. Mikroshēmu būtu iespējams ievietot tieši siltumvadošā šķidrumā, taču pēdējam nevajadzētu vadīt elektrību vai iesaistīties ķīmiskās reakcijās ar elektroniskiem komponentiem.
Jau ir notikušas vairākas demonstrācijas par mikroshēmas šķidruma dzesēšanu. Parasti mēs runājam par sistēmu, kurā ierīce ar šķidruma kanālu komplektu tiek sakausēta uz kristāla, un pats šķidrums tiek sūknēts caur to. Tas ļauj efektīvi noņemt siltumu no mikroshēmas, taču sākotnējās realizācijas parādīja, ka kanālos ir liels spiediens un ūdens sūknēšana šādā veidā prasa daudz enerģijas - vairāk, nekā tiek noņemts no procesora. Tas samazina sistēmas energoefektivitāti un papildus rada bīstamu mehānisku spriedzi mikroshēmā.
Jauni pētījumi izstrādā idejas mikroshēmu dzesēšanas sistēmu efektivitātes uzlabošanai. Risinājumam var izmantot trīsdimensiju dzesēšanas sistēmas - mikrokanālus ar iebūvētu kolektoru (embedded kolektoru mikrokanāli, EMMC). Tajos trīsdimensiju hierarhiskais kolektors ir kanāla sastāvdaļa, kurai ir vairākas pieslēgvietas dzesēšanas šķidruma sadalei.
Pētnieki izstrādāja monolīti integrētu kolektora mikrokanālu (mMMC), integrējot EMMC tieši mikroshēmā. Tieši zem mikroshēmas aktīvajām zonām ir izbūvēti slēptie kanāli, un dzesēšanas šķidrums plūst tieši zem siltuma avotiem. Lai izveidotu mMMC, vispirms uz silīcija substrāta, kas pārklāts ar pusvadītāju - gallija nitrīdu (GaN), tiek iegravēti šauri kanālu sloti; tad izmanto kodināšanu ar izotropu gāzi, lai paplašinātu spraugas silīcijā līdz vajadzīgajam kanāla platumam; Pēc tam GaN slāņa caurumi virs kanāliem tiek noslēgti ar varu. Mikroshēmu var izgatavot GaN slānī. Šim procesam nav nepieciešama savienojuma sistēma starp kolektoru un ierīci.
Pētnieki ir ieviesuši jaudas elektronisko moduli, kas pārveido maiņstrāvu līdzstrāvā. Ar tās palīdzību siltuma plūsmas, kas lielākas par 1,7 kW/cm2, var atdzesēt, izmantojot tikai 0,57 W/cm2 sūknēšanas jaudu. Turklāt sistēmai ir daudz augstāka pārveidošanas efektivitāte nekā līdzīgai ierīcei bez dzesēšanas, jo trūkst pašsasilšanas.
Tomēr nevajadzētu gaidīt, ka drīzumā parādīsies uz GaN balstītas mikroshēmas ar integrētu dzesēšanas sistēmu – vēl ir jāatrisina vairākas fundamentālas problēmas, piemēram, sistēmas stabilitāte, temperatūras ierobežojumi utt. Un tomēr tas ir nozīmīgs solis uz priekšu gaišākai un aukstākai nākotnei.
Avoti:
Avots: 3dnews.ru