A medida que aumenta la demanda de microchips cada vez más pequeños, los problemas para satisfacer esa demanda giran en gran medida en torno a la capacidad de disipar el calor que generan. Pero añadir elementos autorrefrigerantes a los chips es una solución que actualmente se está probando.

“Esta limitación intrínseca supone un obstáculo para la Ley de Moore, que anticipa que los microchips y transistores seguirán haciéndose cada vez más pequeños a medida que aumentan las necesidades y la potencia de cómputo. Sin poder superar estos picos de calor, seguir miniaturizando los microchips plantea un problema para la informática,” señala el sitio web Inverse.

Investigadores suizos han estado trabajando en integrar el sistema de refrigeración directamente en el propio chip. Como afirma Inverse: “Este enfoque podría generar mejoras de órdenes de magnitud en eficiencia respecto a los modelos de refrigeración propuestos anteriormente, y llevar a la informática a una nueva era de innovación”.

Actualmente, la capacidad de extracción de calor está fundamentalmente limitada por la resistencia térmica entre el hardware —un semiconductor— y el encapsulado. Los investigadores suizos están trabajando en un chip capaz de integrar los elementos de refrigeración directamente en el propio chip. Este “codiseño microfluídico-electrónico”, como lo denominan, podría permitir una disipación y gestión controladas del calor.

Los métodos de refrigeración actuales dependen de grandes cantidades de agua. Cada kilovatio-hora de energía necesita 2 galones de agua para enfriarse. Dado que se prevé que los centros de datos de EE. UU. consuman 73.000 millones de kilovatios-hora, ellos solos necesitarían 220.000 piscinas olímpicas de agua, explica Inverse.

Los intentos anteriores de desarrollar chips autorrefrigerantes se realizaron fabricando los elementos de refrigeración por separado de los elementos electrónicos y combinándolos después de su fabricación. Estos métodos presentaban problemas de costo y de estrés térmico.

“La electrónica de potencia consiste en dispositivos electrónicos de estado sólido que convierten la energía eléctrica en distintas formas, y se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones cotidianas —desde computadoras hasta cargadores de batería, desde aires acondicionados hasta vehículos eléctricos híbridos, e incluso satélites—. La creciente demanda de dispositivos de electrónica de potencia cada vez más eficientes y compactos implica que la cantidad de energía convertida por unidad de volumen de estos dispositivos ha aumentado drásticamente. Esto, a su vez, ha incrementado el flujo de calor de los dispositivos —la cantidad de calor producida por unidad de área,” informa Nature Magazine. 

“[Este equipo] ha logrado un avance al desarrollar... un sistema en el que [los canales de refrigeración] se integran y se cofabrican con un chip en un único die,” escribe el autor del informe e ingeniero mecánico, Tiwei Wei. “Los canales enterrados quedan así incorporados justo debajo de las áreas activas del chip, de modo que el refrigerante pasa directamente por debajo de las fuentes de calor.”

El equipo comenzó creando el sistema de refrigeración integrado y añadiendo canales de refrigerante ensanchados en el sustrato del microchip. Los canales se sellaron con cobre, y los demás componentes electrónicos se construyeron directamente encima del chip.

Utilizando agua como refrigerante, el equipo diseñó un componente electrónico que convertía corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) y lo probó frente a un componente similar sin refrigeración integrada. Se observaron eficiencias significativamente más altas, y los investigadores estiman que este sistema tiene una capacidad de refrigeración hasta 50 veces mayor que la de los modelos convencionales.

Y, dado que el enfoque de fabricación utiliza sistemas ya existentes, los investigadores afirman que ya es económicamente viable.

Entre las advertencias de Wei se incluyen que los materiales utilizados en las pruebas necesitan someterse a ensayos a largo plazo en múltiples entornos, y que el agua como refrigerante podría no ser la solución adecuada a largo plazo

 

ALGUNAS ADVERTENCIAS — Sin embargo, según Wei, este diseño no es precisamente perfecto. Wei señala en su informe algunas preocupaciones estructurales sobre el diseño, en concreto el material utilizado para la superficie del sustrato y un adhesivo empleado para conectar los canales de refrigerante durante la fabricación. En ambos casos, la estabilidad y eficacia a largo plazo en distintos entornos —por ejemplo, a las temperaturas asociadas con los procesos típicos de fabricación de microchips— son motivo de preocupación.

Asimismo, el agua como refrigerante para este sistema tampoco podría ser una solución a largo plazo, dado que la electrónica y el agua normalmente no se llevan bien. “A pesar de los desafíos que aún quedan por resolver, [este] trabajo representa un gran paso hacia sistemas de refrigeración de bajo costo, ultracompactos y energéticamente eficientes para la electrónica de potencia,” añadió Wei.

Más pequeño que una moneda, este microchip autorrefrigerante esconde algunos secretos.Van Erp et al. / Nature