Da stasjonære prosessorer først brøt 1 GHz, virket det en stund som om det ikke var noe sted å gå. Til å begynne med var det mulig å øke frekvensen på grunn av nye tekniske prosesser, men fremdriften av frekvenser avtok etter hvert på grunn av økende krav til varmefjerning. Selv massive radiatorer og vifter har noen ganger ikke tid til å fjerne varme fra de kraftigste sjetongene.
Forskere fra Sveits bestemte seg for å prøve ved å føre væske gjennom selve krystallen. De designet brikken og kjølesystemet som en enkelt enhet, med væskekanaler på brikken plassert nær de varmeste delene av brikken. Resultatet er en imponerende økning i ytelse med effektiv varmeavledning.
En del av problemet med å fjerne varme fra en brikke er at det vanligvis involverer flere stadier: varme overføres fra brikken til brikkeemballasjen, deretter fra emballasjen til kjøleribben, og deretter til luften (termisk pasta, dampkamre osv. kan også være involvert i prosessen videre). Totalt sett begrenser dette mengden varme som kan fjernes fra brikken. Dette gjelder også for væskekjølesystemer som er i bruk. Det ville være mulig å plassere brikken direkte i en termisk ledende væske, men sistnevnte skal ikke lede elektrisitet eller gå inn i kjemiske reaksjoner med elektroniske komponenter.
Det har allerede vært flere demonstrasjoner av on-chip væskekjøling. Vanligvis snakker vi om et system der en enhet med et sett med kanaler for væske er smeltet sammen på en krystall, og selve væsken pumpes gjennom den. Dette gjør at varme effektivt kan fjernes fra brikken, men innledende implementeringer viste at det er mye trykk i kanalene og å pumpe vann på denne måten krever mye energi – mer enn det som fjernes fra prosessoren. Dette reduserer energieffektiviteten til systemet og skaper i tillegg farlig mekanisk påkjenning på brikken.
Ny forskning utvikler ideer for å forbedre effektiviteten til kjølesystemer på brikken. For en løsning kan tredimensjonale kjølesystemer brukes - mikrokanaler med innebygd kollektor (embedded manifold microchannels, EMMC). I dem er en tredimensjonal hierarkisk manifold en komponent i en kanal som har flere porter for distribusjon av kjølevæske.
Forskerne utviklet en monolittisk integrert manifold mikrokanal (mMMC) ved å integrere EMMC direkte på brikken. Skjulte kanaler er bygget rett under de aktive områdene på brikken, og kjølevæsken strømmer direkte under varmekildene. For å lage mMMC, blir først smale spor for kanaler etset på et silisiumsubstrat belagt med en halvleder-galliumnitrid (GaN); deretter brukes etsing med en isotrop gass for å utvide hullene i silisiumet til den nødvendige kanalbredden; Etter dette tettes hullene i GaN-laget over kanalene med kobber. Brikken kan produseres i et GaN-lag. Denne prosessen krever ikke et koblingssystem mellom oppsamleren og enheten.
Forskerne har implementert en kraftelektronikkmodul som konverterer vekselstrøm til likestrøm. Med dens hjelp kan varmestrømmer på mer enn 1,7 kW/cm2 kjøles med en pumpeeffekt på kun 0,57 W/cm2. I tillegg viser systemet mye høyere konverteringseffektivitet enn en lignende ukjølt enhet på grunn av mangelen på selvoppvarming.
Du bør imidlertid ikke forvente det nært forestående utseendet til GaN-baserte brikker med et integrert kjølesystem - en rekke grunnleggende problemer må fortsatt løses, for eksempel systemstabilitet, temperaturgrenser og så videre. Og likevel er dette et betydelig skritt fremover mot en lysere og kaldere fremtid.
Kilder:
Kilde: 3dnews.ru