Коли настільні процесори вперше подолали частоту в 1 ГГц, якийсь час здавалося, що йти далі нікуди. Спочатку вдавалося піднімати частоту рахунок нових техпроцесів, але прогрес частот у результаті загальмував через зростаючих вимог до відведення тепла. Навіть потужні радіатори і вентилятори не встигають часом відводити тепло від найпотужніших чіпів.
Дослідники зі Швейцарії вирішили спробувати шляхом пропускання рідини через сам кристал. Вони спроектували чіп та систему охолодження як єдине ціле, при цьому канали для рідини на кристалі розмістили поруч із найбільш гарячими частинами чіпа. Результат – вражаючий приріст продуктивності при ефективному відведенні тепла.
Почасти проблема з відведенням тепла від чіпа полягає в тому, що зазвичай йдеться про кілька етапів: тепло відводиться від мікросхеми до упаковки чіпа, потім від упаковки до радіатора, а потім до повітря (також у процесі можуть брати участь термопаста, випарні камери і так далі). У сумі це обмежує обсяги тепла, яке можна відвести від чіпа. Це вірно і для систем рідинного охолодження, що використовуються в даний час. Можна було б помістити чіп безпосередньо в теплопровідну рідину, але остання не повинна проводити електрику та вступати до хімічних реакцій з електронними компонентами.
Насамперед уже було кілька демонстрацій вбудованого в чіп рідинного охолодження. Зазвичай йдеться про систему, в якій пристрій з набором каналів для рідини наплавлено на кристал, а рідина прокачується помпами через неї. Це дозволяє ефективно відводити тепло від чіпа, але початкові реалізації показали, що в каналах виникає сильний тиск і для прокачування води в такий спосіб потрібно багато енергії більше, ніж відводиться від процесора. Це знижує енергоефективність системи та також створює небезпечні механічні навантаження на чіп.
Нове дослідження розвиває ідеї підвищення ефективності інтегрованих чіп систем охолодження. Для вирішення можуть використовуватися тривимірні системи охолодження - мікроканали із вбудованим колектором (embedded manifold microchannels, EMMC). У них тривимірний ієрархічний колектор є компонентом каналу, що має кілька портів для розподілу рідини, що охолоджує.
Дослідники розробили монолітно інтегрований мікроканал колектора (monolithically integrated manifold microchannel, mMMC), інтегрувавши EMMC прямо на кристал. Приховані канали вбудовані прямо під активними областями мікросхеми, і рідина, що охолоджує, проходить безпосередньо під джерелами тепла. Для створення mММС спочатку на кремнієвій підкладці, покритій напівпровідником - нітридом галію (GaN), протравлюються вузькі щілини під канали; потім застосовується травлення ізотропним газом для розширення щілин у кремнії до необхідної ширини каналів; після цього отвори в шарі GaN поверх каналів закладаються міддю. Чіп може виготовлятися у шарі GaN. Такий процес не потребує сполучної системи між колектором та пристроєм.
Дослідники реалізували силовий електронний модуль, що перетворює змінний струм на постійний. З його допомогою теплові потоки більше 1,7 кВт/см2 можна охолодити, використовуючи потужність прокачування лише 0,57 Вт/см2. Крім того, система демонструє набагато більш високу ефективність перетворення, ніж аналогічний неохолоджуваний пристрій через відсутність самонагрівання.
Втім, не варто чекати швидкої появи чіпів на основі GaN з інтегрованою системою охолодження — доведеться вирішити цілу низку принципових моментів на кшталт стабільності системи, граничних температур і так далі. І, тим не менш, це помітний крок вперед до світлішого і холоднішого майбутнього.
Джерела:
Джерело: 3dnews.ru