Kiedy procesory do komputerów stacjonarnych po raz pierwszy przekroczyły 1 GHz, przez chwilę wydawało się, że nie ma dokąd pójść. Początkowo możliwe było zwiększenie częstotliwości dzięki nowym procesom technicznym, ale postęp częstotliwości ostatecznie uległ spowolnieniu ze względu na rosnące wymagania dotyczące odprowadzania ciepła. Nawet masywne grzejniki i wentylatory czasami nie mają czasu na usunięcie ciepła z najpotężniejszych chipów.
Naukowcy ze Szwajcarii postanowili spróbować przepuszczając ciecz przez sam kryształ. Zaprojektowali układ scalony i układ chłodzenia jako jedną całość, z kanałami płynowymi na chipie umieszczonymi w pobliżu najgorętszych części chipa. Rezultatem jest imponujący wzrost wydajności przy efektywnym odprowadzaniu ciepła.
Częścią problemu z usuwaniem ciepła z chipa jest to, że zwykle składa się ono z kilku etapów: ciepło jest przekazywane z chipa do opakowania chipa, następnie z opakowania do radiatora, a następnie do powietrza (pasta termiczna, komory parowe itp.) , może być również zaangażowany w proces dalej). W sumie ogranicza to ilość ciepła, które można usunąć z chipa. Dotyczy to również obecnie stosowanych systemów chłodzenia cieczą. Można by umieścić chip bezpośrednio w cieczy przewodzącej ciepło, jednak ta ostatnia nie powinna przewodzić prądu i wchodzić w reakcje chemiczne z elementami elektronicznymi.
Odbyło się już kilka demonstracji chłodzenia cieczą na chipie. Zwykle mówimy o systemie, w którym urządzenie z zestawem kanałów dla cieczy jest wtopione w kryształ, a sama ciecz jest przez niego pompowana. Pozwala to skutecznie odprowadzać ciepło z chipa, jednak wstępne wdrożenia pokazały, że w kanałach panuje spore ciśnienie i pompowanie w ten sposób wody wymaga dużo energii – więcej niż jest pobierane z procesora. Zmniejsza to efektywność energetyczną systemu, a ponadto powoduje niebezpieczne naprężenia mechaniczne na chipie.
Nowe badania rozwijają pomysły na poprawę wydajności wbudowanych systemów chłodzenia. Rozwiązaniem mogą być trójwymiarowe układy chłodzenia – mikrokanały z wbudowanym kolektorem (mikrokanały wbudowanego kolektora, EMMC). W nich trójwymiarowy hierarchiczny kolektor jest elementem kanału, który ma kilka otworów do dystrybucji chłodziwa.
Naukowcy opracowali monolitycznie zintegrowany mikrokanał rozgałęziony (mMMC), integrując EMMC bezpośrednio z chipem. Ukryte kanały są zbudowane tuż pod aktywnymi obszarami chipa, a chłodziwo przepływa bezpośrednio pod źródłami ciepła. Aby utworzyć mMMC, najpierw wytrawia się wąskie szczeliny na kanały na podłożu krzemowym pokrytym półprzewodnikiem — azotkiem galu (GaN); następnie stosuje się trawienie gazem izotropowym w celu poszerzenia szczelin w krzemie do wymaganej szerokości kanału; Następnie otwory w warstwie GaN nad kanałami uszczelnia się miedzią. Chip może być wykonany w warstwie GaN. Proces ten nie wymaga układu połączeń pomiędzy kolektorem a urządzeniem.
Naukowcy wdrożyli moduł energoelektroniczny, który przetwarza prąd przemienny na prąd stały. Za jego pomocą strumienie ciepła o wartości ponad 1,7 kW/cm2 można schłodzić przy mocy pompowania wynoszącej zaledwie 0,57 W/cm2. Ponadto system wykazuje znacznie wyższą sprawność konwersji niż podobne urządzenie niechłodzone ze względu na brak samonagrzewania.
Nie należy się jednak spodziewać rychłego pojawienia się chipów na bazie GaN ze zintegrowanym układem chłodzenia – do rozwiązania pozostaje jeszcze szereg fundamentalnych kwestii, takich jak stabilność systemu, ograniczenia temperaturowe i tak dalej. A jednak jest to znaczący krok naprzód w kierunku jaśniejszej i zimniejszej przyszłości.
Źródła:
Źródło: 3dnews.ru