Ученые предлагают включить жидкостное охлаждение в сам кремниевый чип

Исследователи из Швейцарии предлагают новый способ отвода тепла от микросхем — путем включения системы жидкостного охлаждения в сам кристалл кремния. Также был разработан электронный модуль, что доказывает эффективность технологии, сообщает kratko-news.com.

Когда процессоры ПК впервые достигли 1 ГГц, казалось, что им больше некуда идти. Сначала еще можно было увеличить частоту с помощью новых технологических процессов, но со временем эта возможность стала исчерпываться из-за растущих требований к отводу тепла. Даже массивные радиаторы и вентиляторы иногда не могут отвести тепло от самых мощных микросхем.

Исследователи из швейцарской лаборатории EPFL POWERlab тестируют новый способ отвода тепла путем пропускания жидкости через сам кристалл. Согласно публикации в журнале Nature, они разработали чип и систему охлаждения в целом, пропуская каналы для жидкости вблизи самых горячих частей чипа. Результатом является впечатляющее увеличение производительности с эффективным отводом тепла.

Частично проблема с отводом тепла от чипов заключается в том, что это обычно происходит в несколько этапов: тепло от чипа отводится к корпусу чипа, затем к радиатору и, наконец, к воздуху (термопаста, испарители также могут быть задействованы в процессе). Все это ограничивает количество тепла, которое может быть отведено от чипа.

Те же соображения применимы к системам жидкостного охлаждения, используемым сегодня. Можно поместить чип непосредственно в теплопроводную жидкость, но последняя не должна пропускать электричество и не вступать в химические реакции с электронными компонентами.

Уже были продемонстрированы несколько разработок встроенного в чип жидкостного охлаждения. Обычно это системы, в которых на кристалле размещается устройство с набором каналов для жидкости, а сама жидкость перекачивается. Это позволяет эффективно отводить тепло от чипа, но первоначальные реализации показали, что в каналах имеется сильное давление, и перекачка жидкости таким способом требует много энергии — больше, чем отводится от процессора. Это в конечном итоге снижает энергоэффективность системы, а также создает опасную механическую нагрузку на микросхему.

Новая швейцарская разработка развивает идеи по повышению эффективности систем охлаждения, встроенных в чип. В решении используются трехмерные системы охлаждения — микроканалы со встроенным коллектором (EMMC). В них трехмерный иерархический коллектор является составной частью канала с несколькими портами для распределения теплоносителя.

Исследователи создали монолитно интегрированный коллекторный микроканал (mMMC), встроив EMMC непосредственно в чип. Скрытые каналы построены чуть ниже ядра чипа, а охлаждающая жидкость проходит непосредственно под источниками тепла.

Технология применена в силовом электронном модуле, преобразующем переменный ток в постоянный. Он может рассеивать тепловые потоки более 1,7 кВт / см², используя мощность накачки всего 0,57 Вт / см². Система показывает гораздо более высокую эффективность преобразования по сравнению с аналогичным неохлаждаемым устройством из-за отсутствия самонагрева.

Однако нельзя ожидать появления чипов из нитрида галлия (GaN) со встроенной системой охлаждения в ближайшее время — ряд ключевых проблем, таких как стабильность системы, экстремальные температуры и т. д., еще не решены. Тем не менее, разработка — это значительный шаг вперед к более холодному будущему для чипов.