Изследователите продължават да експериментират с вграждане на течно охлаждане в чипа
(снимки: NPG Press / V. Navikas – EPFL / YouTube)
Изследователи от Швейцария предлагат нов начин за отвеждане на топлината от чиповете – чрез вграждане на система за течно охлаждане в самия силициев кристал. Разработен е и електронен модул, който доказва ефективността на технологията.
Когато РС процесорите за първи път достигнаха честота от 1GHz, изглеждаше, че повече няма накъде. Отначало все още беше възможно да се повиши честотата с нови технологични процеси, но в крайна сметка и тази възможност започна да се изчерпва, поради нарастващите изисквания за отвеждане на топлината. Дори масивните радиатори и вентилатори понякога не успяват да отнемат топлината от най-мощните чипове.
Изследователи от швейцарската EPFL POWERlab изпробват нов начин за отвеждане на топлината чрез пускане на течност през самия кристал. Те са проектирали чипа и охлаждащата система като едно цяло, прокарвайки каналите с течност близо до най-горещите части на чипа, става ясно от публикация в сп. Nature. Резултатът е впечатляващо повишаване на производителността с ефективно разсейване на топлината.
Част от проблема с отстраняването на топлината от чиповете се крие във факта, че обикновено това става на няколко етапа: топлината се отвежда от микросхемата към опаковката на чипа, след това към радиатора и накрая към въздуха (в процеса могат да участват също термопаста, изпарителни камери и т.н.). Всичко това ограничава количеството топлина, което може да бъде отведено от чипа.
Същите съображения важат и за използваните днес системи за течно охлаждане. Възможно е чипът да се постави директно в топлопроводима течност, но последната не трябва да пропуска електричество и да не влиза в химични реакции с електронни компоненти.
Вече бяха демонстрирани няколко разработки на течно охлаждане, вградено в чипа. Обикновено това са системи, при които устройство с набор от течни канали се поставя върху кристала, а самата течност се изпомпва. Това позволява ефективно премахване на топлината от чипа, но първоначалните внедрения показаха, че в каналите има силно налягане и за изпомпване на течността по този начин се изисква много енергия – повече, отколкото се отвежда от процесора. Така, в крайна сметка, намалява енергийната ефективност на системата и освен това възниква опасно механично напрежение върху чипа.
Новата швейцарска разработка доразвива идеите за подобряване на ефективността на охлаждащите системи, интегрирани вътре в чипа. Решението използва триизмерни охладителни системи – микроканали с вграден колектор (EMMC). При тях триизмерният йерархичен колектор се явява компонент от канал с няколко порта за разпределение на охлаждащата течност.
Изследователите са създали монолитно интегриран колекторен микроканал (mMMC) чрез вграждане на EMMC директно в чипа. Скритите канали са изградени точно под активните зони на чипа и охлаждащата течност минава директно под източниците на топлина.
Технологията е приложена в силов електронен модул, който преобразува променлив ток в постоянен. С нея могат да се отвеждат топлинни потоци от над 1,7 kW/cm², като се използва мощност на изпомпване от само 0,57 W/cm². Системата показва много по-висока ефективност на преобразуване, в сравнение с аналогично неохладено устройство, поради липсата на самонагряване.
Не може обаче да се очаква скорошна поява на чипове, базирани на галиев нитрид (GaN), с интегрирана система за охлаждане – все още не са решени редица основни въпроси като стабилност на системата, екстремни температури и т.н. И въпреки това, разработката е значима стъпка напред към по-студено бъдеще за чиповете.