Face à la demande croissante de micropuces toujours plus petites, les difficultés à y répondre tiennent en grande partie à la capacité de dissiper la chaleur qu'elles génèrent. Mais l'ajout d'éléments autorefroidissants aux puces est une solution actuellement à l'essai.

« Cette limitation intrinsèque va à l'encontre de la loi de Moore, qui prévoit que les micropuces et les transistors continueront de rétrécir à mesure que les besoins en calcul et en puissance augmentent. Sans pouvoir surmonter ces pics de chaleur, la poursuite de la miniaturisation des micropuces pose un problème pour l'informatique, » note le site Inverse.

Des chercheurs suisses travaillent à intégrer le système de refroidissement directement à la puce elle-même. Comme le précise Inverse : « Cette approche pourrait apporter des améliorations d'ordres de grandeur en matière d'efficacité par rapport aux modèles de refroidissement proposés jusqu'ici, et faire entrer l'informatique dans une nouvelle ère d'innovation ».

Actuellement, les capacités d'extraction de la chaleur sont fondamentalement limitées par la résistance thermique entre le matériel — un semi-conducteur — et le boîtier. Les chercheurs suisses travaillent sur une puce capable d'intégrer les éléments de refroidissement directement sur la puce elle-même. Cette « co-conception microfluidique-électronique », comme ils l'appellent, pourrait permettre une dissipation et une gestion contrôlées de la chaleur.

Les méthodes de refroidissement actuelles reposent sur de grandes quantités d'eau. Chaque kilowattheure d'énergie nécessite 2 gallons d'eau pour être refroidi. Étant donné que les centres de données américains devraient consommer 73 milliards de kilowattheures, ils auraient à eux seuls besoin de 220 000 piscines olympiques d'eau, explique Inverse.

Les tentatives précédentes de développement de puces autorefroidissantes consistaient à fabriquer les éléments de refroidissement séparément des éléments électroniques, puis à les assembler après leur fabrication. Ces méthodes posaient des problèmes de coût et de contraintes thermiques.

«L'électronique de puissance regroupe des dispositifs électroniques à semi-conducteurs qui convertissent l'énergie électrique en différentes formes, et elle est utilisée dans une multitude d'applications quotidiennes — des ordinateurs aux chargeurs de batterie, des climatiseurs aux véhicules électriques hybrides, jusqu'aux satellites. La demande croissante de dispositifs d'électronique de puissance toujours plus efficaces et plus compacts signifie que la puissance convertie par unité de volume de ces dispositifs a considérablement augmenté. Cela a, en retour, augmenté le flux de chaleur des dispositifs — la quantité de chaleur produite par unité de surface, » rapporte Nature Magazine. 

« [Cette équipe] a réalisé une avancée majeure en développant... un système dans lequel [les canaux de refroidissement] sont intégrés et co-fabriqués avec une puce sur une seule puce », écrit l'auteur du rapport et ingénieur mécanicien, Tiwei Wei. « Les canaux enterrés sont ainsi intégrés juste sous les zones actives de la puce, de sorte que le liquide de refroidissement circule directement sous les sources de chaleur. »

L'équipe a commencé par créer le système de refroidissement intégré, en ajoutant des canaux de liquide de refroidissement élargis sur le substrat de la micropuce. Les canaux ont été scellés avec du cuivre, et les autres composants électroniques ont été construits directement au-dessus de la puce.

En utilisant un liquide de refroidissement à base d'eau, l'équipe a conçu un composant électronique convertissant le courant alternatif (CA) en courant continu (CC) et l'a testé face à un composant similaire dépourvu de refroidissement intégré. Des efficacités nettement supérieures ont été observées, et les chercheurs estiment que ce système offre une puissance de refroidissement jusqu'à 50 fois supérieure à celle des modèles classiques.

Et, comme cette approche de fabrication s'appuie sur des systèmes déjà existants, les chercheurs affirment qu'elle est déjà économiquement viable.

Parmi les réserves émises par Wei figurent la nécessité de tester les matériaux utilisés sur le long terme dans plusieurs environnements, et le fait que l'eau comme liquide de refroidissement pourrait ne pas être la bonne solution à long terme

 

QUELQUES RÉSERVES — Mais, selon Wei, cette conception n'est pas tout à fait parfaite. Il souligne dans son rapport plusieurs préoccupations structurelles liées à la conception, notamment le matériau utilisé pour la surface du substrat et un adhésif employé pour relier les canaux de liquide de refroidissement lors de la fabrication. Dans les deux cas, la stabilité et l'efficacité à long terme dans différents environnements — par exemple aux températures associées aux procédés de fabrication typiques des micropuces — suscitent des inquiétudes.

De même, l'eau comme liquide de refroidissement pour ce système pourrait ne pas être une solution durable, étant donné que l'électronique et l'eau ne font généralement pas bon ménage. « Malgré les défis qui restent à relever, [ce] travail constitue une avancée majeure vers des systèmes de refroidissement peu coûteux, ultra-compacts et économes en énergie pour l'électronique de puissance », a ajouté Wei.

Plus petite qu'une pièce de monnaie, cette micropuce autorefroidissante recèle quelques secrets.Van Erp et al. / Nature