Toen desktopprocessors voor het eerst de 1 GHz doorbraken, leek het een tijdje alsof er geen kant meer op kon. In eerste instantie was het mogelijk om de frequentie te verhogen als gevolg van nieuwe technische processen, maar de voortgang van frequenties vertraagde uiteindelijk vanwege de groeiende behoefte aan warmteafvoer. Zelfs enorme radiatoren en ventilatoren hebben soms geen tijd om de warmte van de krachtigste chips te verwijderen.
Onderzoekers uit Zwitserland besloten het te proberen door vloeistof door het kristal zelf te laten gaan. Ze ontwierpen de chip en het koelsysteem als één geheel, met vloeistofkanalen op de chip die in de buurt van de heetste delen van de chip waren geplaatst. Het resultaat is een indrukwekkende prestatieverbetering met efficiënte warmteafvoer.
Een deel van het probleem met het verwijderen van warmte uit een chip is dat het meestal uit verschillende fasen bestaat: warmte wordt overgedragen van de chip naar de chipverpakking, vervolgens van de verpakking naar het koellichaam en vervolgens naar de lucht (thermische pasta, dampkamers, enz. (kan ook bij het proces betrokken worden). In totaal beperkt dit de hoeveelheid warmte die uit de chip kan worden verwijderd. Dit geldt ook voor vloeistofkoelsystemen die momenteel in gebruik zijn. Het zou mogelijk zijn om de chip direct in een thermisch geleidende vloeistof te plaatsen, maar deze mag geen elektriciteit geleiden of chemische reacties aangaan met elektronische componenten.
Er zijn al meerdere demonstraties geweest van on-chip vloeistofkoeling. Meestal hebben we het over een systeem waarin een apparaat met een reeks vloeistofkanalen op een kristal wordt gesmolten en de vloeistof zelf er doorheen wordt gepompt. Hierdoor kan warmte effectief uit de chip worden verwijderd, maar uit eerste implementaties bleek dat er veel druk in de kanalen zit en dat het op deze manier verpompen van water veel energie kost – meer dan er uit de processor wordt verwijderd. Dit vermindert de energie-efficiëntie van het systeem en creëert bovendien gevaarlijke mechanische spanning op de chip.
Nieuw onderzoek ontwikkelt ideeën om de efficiëntie van on-chip koelsystemen te verbeteren. Voor een oplossing kunnen driedimensionale koelsystemen worden gebruikt: microkanalen met een ingebouwde collector (embedded spruitstukmicrokanalen, EMMC). Daarin is een driedimensionaal hiërarchisch verdeelstuk een onderdeel van een kanaal dat verschillende poorten heeft voor de distributie van koelvloeistof.
De onderzoekers ontwikkelden een monolithisch geïntegreerd spruitstukmicrokanaal (mMMC) door EMMC rechtstreeks op de chip te integreren. Direct onder de actieve delen van de chip zijn verborgen kanalen gebouwd en het koelmiddel stroomt direct onder de warmtebronnen. Om mMMC te creëren, worden eerst smalle gleuven voor kanalen geëtst op een siliciumsubstraat bedekt met een halfgeleider: galliumnitride (GaN); vervolgens wordt etsen met een isotroop gas gebruikt om de gaten in het silicium te vergroten tot de vereiste kanaalbreedte; Hierna worden de gaten in de GaN-laag over de kanalen afgedicht met koper. De chip kan in een GaN-laag worden vervaardigd. Voor dit proces is geen verbindingssysteem tussen de collector en het apparaat vereist.
De onderzoekers hebben een vermogenselektronicamodule geïmplementeerd die wisselstroom omzet in gelijkstroom. Hiermee kunnen warmtestromen van meer dan 1,7 kW/cm2 worden gekoeld met een pompvermogen van slechts 0,57 W/cm2. Bovendien vertoont het systeem een veel hogere conversie-efficiëntie dan een vergelijkbaar ongekoelde apparaat vanwege het ontbreken van zelfverhitting.
Je moet echter niet de aanstaande verschijning verwachten van GaN-gebaseerde chips met een geïntegreerd koelsysteem - een aantal fundamentele problemen moeten nog worden opgelost, zoals systeemstabiliteit, temperatuurlimieten, enzovoort. En toch is dit een belangrijke stap voorwaarts in de richting van een mooiere en koudere toekomst.
Bronnen:
Bron: 3dnews.ru