Keď desktopové procesory prvýkrát prelomili frekvenciu 1 GHz, chvíľu sa zdalo, že už nie je kam ísť. Spočiatku bolo možné zvýšiť frekvenciu vďaka novým technickým procesom, ale postup frekvencií sa časom spomalil kvôli rastúcim požiadavkám na odvod tepla. Ani masívne radiátory a ventilátory niekedy nestíhajú odoberať teplo z najvýkonnejších čipov.
Vedci zo Švajčiarska sa rozhodli vyskúšať prechodom kvapaliny cez samotný kryštál. Čip a chladiaci systém navrhli ako jeden celok, s kanálikmi na tekutinu umiestnenými v blízkosti najhorúcejších častí čipu. Výsledkom je pôsobivé zvýšenie výkonu s efektívnym odvodom tepla.
Časť problému s odstraňovaním tepla z čipu spočíva v tom, že zvyčajne zahŕňa niekoľko fáz: teplo sa prenáša z čipu do obalu čipu, potom z obalu do chladiča a potom do vzduchu (tepelná pasta, parné komory atď. Do procesu sa môžu zapojiť aj ďalšie). Celkovo to obmedzuje množstvo tepla, ktoré je možné z čipu odobrať. To platí aj pre systémy kvapalného chladenia, ktoré sa v súčasnosti používajú. Čip by bolo možné umiestniť priamo do tepelne vodivej kvapaliny, tá by však nemala viesť elektrinu ani vstúpiť do chemických reakcií s elektronickými komponentmi.
Prebehlo už niekoľko ukážok kvapalinového chladenia na čipe. Zvyčajne hovoríme o systéme, v ktorom je zariadenie so sadou kanálov pre kvapalinu natavené na kryštál a samotná kvapalina je cez ňu čerpaná. To umožňuje efektívne odvádzanie tepla z čipu, ale počiatočné implementácie ukázali, že v kanáloch je veľký tlak a čerpanie vody týmto spôsobom vyžaduje veľa energie - viac, ako sa odoberá z procesora. Tým sa znižuje energetická účinnosť systému a navyše vzniká nebezpečné mechanické namáhanie čipu.
Nový výskum rozvíja nápady na zlepšenie účinnosti chladiacich systémov na čipoch. Na riešenie je možné použiť trojrozmerné chladiace systémy - mikrokanály so zabudovaným kolektorom (embedded manifold microchannels, EMMC). V nich je trojrozmerné hierarchické potrubie súčasťou kanála, ktorý má niekoľko otvorov na distribúciu chladiacej kvapaliny.
Výskumníci vyvinuli monoliticky integrovaný rozdeľovací mikrokanál (mMMC) integráciou EMMC priamo do čipu. Skryté kanály sú postavené priamo pod aktívnymi oblasťami čipu a chladivo prúdi priamo pod zdrojmi tepla. Na vytvorenie mMMC sa najprv úzke štrbiny pre kanály vyleptajú na kremíkový substrát potiahnutý polovodičom – nitridom gália (GaN); potom sa použije leptanie izotropným plynom na rozšírenie medzier v kremíku na požadovanú šírku kanála; Potom sú otvory vo vrstve GaN nad kanálmi utesnené meďou. Čip môže byť vyrobený vo vrstve GaN. Tento proces nevyžaduje spojovací systém medzi kolektorom a zariadením.
Výskumníci implementovali výkonný elektronický modul, ktorý premieňa striedavý prúd na jednosmerný prúd. S jeho pomocou je možné ochladiť tepelné toky väčšie ako 1,7 kW/cm2 pri čerpacom výkone len 0,57 W/cm2. Okrem toho systém vykazuje oveľa vyššiu účinnosť premeny ako podobné nechladené zariadenie kvôli nedostatku vlastného ohrevu.
Nemali by ste však očakávať blížiaci sa výskyt čipov na báze GaN s integrovaným chladiacim systémom – ešte je potrebné vyriešiť množstvo zásadných problémov, ako je stabilita systému, teplotné limity a podobne. A predsa je to významný krok vpred smerom k svetlejšej a chladnejšej budúcnosti.
Zdroje:
Zdroj: 3dnews.ru