1001 БОЛЕЗНЬ
Инженеры Университета Пердью разработали новый тип охлаждения для радаров и компьютеров, в которой жидкий хладагент циркулирует непосредственно в электронных микросхемах по сложной сети миниатюрных микроканалов.
Ведущий исследователь Суреш Гаримелла поясняет, что обычные способы охлаждения стружки используют ребристые металлические пластины, которые прикреплены к компьютерным чипам для рассеивания тепла. Однако такие методы не позволяют эффективно удалить тепло в высокопроизводительной электронике.
Новые высокотехнологичные технологии охлаждения потребуются для электронных устройств, которые содержат трехмерные стеки обрабатывающих чипов вместо одного чипа с плоским профилем. В этом случае, слишком много тепла препятствует работе электронных чипов и повреждает крошечные схемы, особенно в небольших «горячих точках». «Вы можете упаковать только одну вычислительную мощность в один чип, поэтому укладку чипов друг над другом — один из способов повышения производительности», говорит соавтор изобретения Джастин Вайбел.
«Я думаю, что впервые мы показали доказательство концепции встроенного охлаждения, которая будет полезна для военных и коммерческих приложений», — сказал Гаримелла. «Этот трансформационный подход имеет большие перспективы для использования в радиолокационной электронике, а также в высокопроизводительных суперкомпьютерах».
Основным требованием заказчика — оборонной корпорации DARPA, была способность обрабатывать чипы, генерирующие киловатт тепла на квадратный сантиметр, что в 10 раз больше, чем в обычных высокопроизводительных компьютерах. «Это количество 1000 ватт на квадратный сантиметр — это своего рода Святой Грааль микроохлаждения, и мы продемонстрировали эту способность в функционирующей системе с электроизолированной жидкостью», утверждают разработчики.
В системе используется хладагент HFE-7100, диэлектрическая жидкость, которая не вызовет короткое замыкание в электронике. Когда жидкость циркулирует над источником тепла, она кипит внутри микроканалов. «Возможность того, что жидкость может кипеть, резко увеличивает количество тепла, которое можно удалить, по сравнению с простым нагреванием жидкости», говорят создатели технологии.
Гаримелла с коллегами создали сложный испытательный аппарат, который имитирует тепло, создаваемое реальными устройствами. Массив нагревателей и температурных датчиков позволяет исследователям тестировать систему в различных условиях, включая воздействие горячих точек. Новый подход повышает эффективность, устраняя необходимость подключения охлаждающих устройств к чипам.
«Мы собираемся использовать технологию, которая устраняет многие проблемы, потому что охлаждение происходит внутри чипов», — сказал Вайбель.
Использование сверхмалых каналов обеспечивает высокую производительность. «Уже давно известно, что чем меньше канал, тем выше производительность теплопередачи. Мы уменьшили ширину канала до 15 или 10 микрон, что примерно в 10 раз меньше, чем типично для технологий охлаждения микроканалов», отметили исследователи. Новая конструкция охлаждения решает одно из основных препятствий для совершенствования таких систем: использование сверхмалых каналов увеличивает производительность охлаждения, но при этом прокачать поток жидкости через крошечные микроканалы с нужной скоростью.
Ученые Пердью преодолели эту проблему, разработав систему коротких параллельных каналов, протянувшихся по всей длине чипа. Специальный «иерархический» коллектор распределяет поток охлаждающей жидкости через эти каналы. «Таким образом, вместо того, чтобы канал имел длину 5000 микрон, мы сокращаем его до 250 микрон», — сказал Гаримелла. «Общая длина канала остается такой же, но теперь она разделяется в дискретные сегменты, и это предотвращает значительные падения давления. Таким образом, это представляет собой другую парадигму».
Каналы были протравлены в кремнии шириной около 15 мкм и глубиной до 300 мкм.
