Com o aumento da demanda por microchips cada vez menores, os problemas para atender a essa demanda giram, em grande parte, em torno da capacidade de dissipar o calor que geram. Mas a adição de elementos de autorrefrigeração aos chips é uma solução que está sendo testada.

“Essa limitação intrínseca representa um obstáculo à Lei de Moore, que prevê que microchips e transistores continuarão a ficar cada vez menores à medida que as necessidades de computação e potência aumentam. Sem conseguir superar esses picos de calor, a contínua miniaturização dos microchips representa um problema para a computação,” observa o site Inverse.

Pesquisadores suíços vêm trabalhando na integração do sistema de resfriamento diretamente ao próprio chip. Como afirma o Inverse: “Essa abordagem pode gerar melhorias de ordens de grandeza na eficiência em relação aos modelos de resfriamento propostos anteriormente, e levar a computação a uma nova era de inovação”.

Atualmente, a capacidade de extração de calor é fundamentalmente limitada pela resistência térmica entre o hardware — um semicondutor — e o encapsulamento. Os pesquisadores suíços estão desenvolvendo um chip capaz de integrar os elementos de resfriamento diretamente ao próprio chip. Esse “co-design microfluídico-eletrônico”, como o denominam, pode permitir a dissipação e o gerenciamento controlados do calor.

Os métodos de resfriamento atuais dependem de grandes quantidades de água. Cada quilowatt-hora de energia requer 2 galões de água para o resfriamento. Considerando que os data centers dos EUA devem consumir 73 bilhões de quilowatts-hora, somente eles precisariam de 220.000 piscinas olímpicas de água, explica o Inverse.

Tentativas anteriores de desenvolver chips autorrefrigerados foram feitas com os elementos de resfriamento fabricados separadamente dos elementos eletrônicos e combinados após a fabricação. Esses métodos apresentavam problemas de custo e de estresse térmico.

“A eletrônica de potência é composta por dispositivos eletrônicos de estado sólido que convertem energia elétrica em diferentes formas, sendo usada em uma ampla variedade de aplicações do dia a dia — de computadores a carregadores de bateria, de aparelhos de ar-condicionado a veículos elétricos híbridos, e até satélites. A crescente demanda por dispositivos de eletrônica de potência cada vez mais eficientes e menores significa que a quantidade de energia convertida por unidade de volume desses dispositivos aumentou drasticamente. Isso, por sua vez, aumentou o fluxo de calor dos dispositivos — a quantidade de calor produzida por unidade de área,” relata a Nature Magazine. 

"[Esta equipe] alcançou um avanço ao desenvolver... um sistema no qual [os canais de resfriamento] são integrados e co-fabricados com um chip em um único die," escreve o autor do relatório e engenheiro mecânico, Tiwei Wei. "Os canais embutidos ficam, portanto, incorporados logo abaixo das áreas ativas do chip, de modo que o líquido de arrefecimento passa diretamente sob as fontes de calor."

A equipe começou criando o sistema de resfriamento embutido e adicionando canais de líquido de arrefecimento mais largos ao substrato do microchip. Os canais foram vedados com cobre, e os demais componentes eletrônicos foram construídos diretamente sobre o chip.

Usando um líquido de arrefecimento à base de água, a equipe projetou um componente eletrônico que convertia corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) e o testou em comparação com um componente semelhante sem resfriamento embutido. Foram observadas eficiências significativamente mais altas, e os pesquisadores estimam que esse sistema tem uma capacidade de resfriamento até 50 vezes maior do que a dos modelos convencionais.

E, como a abordagem de fabricação utiliza sistemas já existentes, os pesquisadores afirmam que ela já é economicamente viável.

As ressalvas de Wei incluem a necessidade de testes de longo prazo em múltiplos ambientes para os materiais utilizados, além de a água como líquido de arrefecimento talvez não ser a solução ideal a longo prazo

 

ALGUMAS RESSALVAS — Mas, segundo Wei, esse projeto não é exatamente perfeito. Wei aponta em seu relatório algumas preocupações estruturais do projeto, principalmente o material usado na superfície do substrato e um adesivo usado para conectar os canais de líquido de arrefecimento durante a fabricação. Em ambos os casos, a estabilidade e a eficácia a longo prazo em diferentes ambientes — por exemplo, em temperaturas associadas aos processos típicos de fabricação de microchips — são motivo de preocupação.

Da mesma forma, a água como líquido de arrefecimento para esse sistema também pode não ser uma solução de longo prazo, visto que eletrônicos e água normalmente não combinam. "Apesar dos desafios que ainda precisam ser resolvidos, [este] trabalho representa um grande passo rumo a sistemas de resfriamento de baixo custo, ultracompactos e energeticamente eficientes para eletrônica de potência," acrescentou Wei.

Menor que uma moeda, este microchip autorrefrigerado guarda alguns segredos ocultos.Van Erp et al. / Nature