När stationära processorer först bröt 1 GHz verkade det ett tag som om det inte fanns någonstans att ta vägen. Till en början var det möjligt att öka frekvensen på grund av nya tekniska processer, men frekvensernas framsteg avtog så småningom på grund av växande krav på värmeavledning. Även massiva radiatorer och fläktar har ibland inte tid att ta bort värme från de mest kraftfulla chipsen.
Forskare från Schweiz bestämde sig för att försöka genom att leda vätska genom själva kristallen. De designade chipet och kylsystemet som en enda enhet, med vätskekanaler på chipet placerade nära de hetaste delarna av chipet. Resultatet är en imponerande ökning av prestanda med effektiv värmeavledning.
En del av problemet med att ta bort värme från ett chip är att det vanligtvis omfattar flera steg: värme överförs från chipet till chipförpackningen, sedan från förpackningen till kylflänsen och sedan till luften (termisk pasta, ångkammare, etc.) kan också vara involverad i processen ytterligare). Totalt sett begränsar detta mängden värme som kan avlägsnas från chipet. Detta gäller även för vätskekylningssystem som för närvarande används. Det skulle vara möjligt att placera chipet direkt i en värmeledande vätska, men den senare ska inte leda elektricitet eller gå in i kemiska reaktioner med elektroniska komponenter.
Det har redan förekommit flera demonstrationer av vätskekylning på chip. Vanligtvis talar vi om ett system där en enhet med en uppsättning kanaler för vätska smälts samman på en kristall och själva vätskan pumpas genom den. Detta gör att värme effektivt kan avlägsnas från chippet, men initiala implementeringar visade att det är mycket tryck i kanalerna och att pumpa vatten på detta sätt kräver mycket energi – mer än vad som tas bort från processorn. Detta minskar energieffektiviteten i systemet och skapar dessutom farlig mekanisk påfrestning på chipet.
Ny forskning utvecklar idéer för att förbättra effektiviteten hos on-chip kylsystem. För en lösning kan tredimensionella kylsystem användas - mikrokanaler med inbyggd kollektor (embedded manifold microchannels, EMMC). I dem är ett tredimensionellt hierarkiskt grenrör en komponent i en kanal som har flera portar för distribution av kylvätska.
Forskarna utvecklade en monolitiskt integrerad grenrörsmikrokanal (mMMC) genom att integrera EMMC direkt på chipet. Dolda kanaler byggs precis under chipets aktiva områden, och kylvätskan strömmar direkt under värmekällorna. För att skapa mMMC etsas först smala spår för kanaler på ett kiselsubstrat belagt med en halvledare - galliumnitrid (GaN); sedan används etsning med en isotrop gas för att vidga mellanrummen i kislet till den erforderliga kanalbredden; Efter detta tätas hålen i GaN-skiktet över kanalerna med koppar. Chipet kan tillverkas i ett GaN-lager. Denna process kräver inget anslutningssystem mellan kollektorn och enheten.
Forskarna har implementerat en kraftelektronikmodul som omvandlar växelström till likström. Med dess hjälp kan värmeflöden på mer än 1,7 kW/cm2 kylas med en pumpeffekt på endast 0,57 W/cm2. Dessutom uppvisar systemet mycket högre konverteringseffektivitet än en liknande okyld enhet på grund av bristen på självuppvärmning.
Du bör dock inte förvänta dig det förestående utseendet av GaN-baserade chips med ett integrerat kylsystem - ett antal grundläggande frågor måste fortfarande lösas, såsom systemstabilitet, temperaturgränser och så vidare. Och ändå är detta ett viktigt steg framåt mot en ljusare och kallare framtid.
Källor:
Källa: 3dnews.ru