Con l'aumento della domanda di microchip sempre più piccoli, i problemi legati alla capacità di soddisfare questa domanda riguardano in gran parte la capacità di dissipare il calore che generano. Ma l'aggiunta di elementi autorefrigeranti ai chip è una soluzione attualmente in fase di sperimentazione.

“Questo limite intrinseco ostacola la Legge di Moore, secondo la quale microchip e transistor continueranno a rimpicciolirsi sempre di più con l'aumento delle esigenze e della potenza di calcolo. Senza riuscire a superare questi picchi di calore, la continua miniaturizzazione dei microchip rappresenta un problema per l'informatica,” osserva il sito Inverse.

I ricercatori svizzeri stanno lavorando per integrare il sistema di raffreddamento direttamente nel chip stesso. Come afferma Inverse: “Questo approccio potrebbe generare miglioramenti di ordini di grandezza nell'efficienza rispetto ai modelli di raffreddamento precedentemente proposti, e portare l'informatica in una nuova era di innovazione”.

Attualmente, le capacità di estrazione del calore sono fondamentalmente limitate dalla resistenza termica tra l'hardware — un semiconduttore — e l'incapsulamento. I ricercatori svizzeri stanno lavorando su un chip in grado di integrare gli elementi di raffreddamento direttamente sul chip stesso. Questa “co-progettazione microfluidico-elettronica”, come la definiscono, può consentire una dissipazione e una gestione controllata del calore.

Gli attuali metodi di raffreddamento si basano su grandi quantità d'acqua. Ogni chilowattora di energia richiede 2 galloni d'acqua per essere raffreddato. Dato che i data center statunitensi dovrebbero consumare 73 miliardi di chilowattora, da soli avrebbero bisogno di 220.000 piscine olimpioniche d'acqua, spiega Inverse.

I tentativi precedenti di sviluppare chip autorefrigeranti prevedevano elementi di raffreddamento realizzati separatamente dagli elementi elettronici e uniti dopo la loro fabbricazione. Questi metodi presentavano problemi di costo e di stress termico.

“L'elettronica di potenza è costituita da dispositivi elettronici allo stato solido che convertono l'energia elettrica in forme diverse, ed è utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni quotidiane — dai computer ai caricabatterie, dai condizionatori d'aria ai veicoli elettrici ibridi, fino ai satelliti. La crescente domanda di dispositivi di elettronica di potenza sempre più efficienti e compatti significa che la quantità di potenza convertita per unità di volume di questi dispositivi è aumentata drasticamente. Questo, a sua volta, ha aumentato il flusso termico dei dispositivi — la quantità di calore prodotta per unità di superficie,” riporta Nature Magazine. 

"[Questo team] ha ottenuto un risultato rivoluzionario sviluppando... un sistema in cui [i canali di raffreddamento] sono integrati e co-fabbricati con un chip in un unico die," scrive l'autore del rapporto e ingegnere meccanico, Tiwei Wei. "I canali interrati sono quindi incorporati proprio sotto le aree attive del chip, in modo che il refrigerante passi direttamente sotto le fonti di calore."

Il team ha iniziato realizzando il sistema di raffreddamento integrato e aggiungendo canali di refrigerante allargati sul substrato del microchip. I canali sono stati sigillati con rame e gli altri componenti elettronici sono stati costruiti direttamente sopra il chip.

Utilizzando un refrigerante ad acqua, il team ha progettato un componente elettronico che convertiva corrente alternata (AC) in corrente continua (DC) e lo ha testato a confronto con un componente simile privo di raffreddamento integrato. Sono state riscontrate efficienze significativamente più elevate e i ricercatori ipotizzano che questo sistema abbia una potenza di raffreddamento fino a 50 volte superiore rispetto ai modelli convenzionali.

Inoltre, poiché l'approccio di fabbricazione utilizza sistemi già esistenti, i ricercatori affermano che è già economicamente sostenibile.

Tra le riserve espresse da Wei figurano la necessità di testare a lungo termine e in più ambienti i materiali utilizzati, e il fatto che l'acqua come refrigerante potrebbe non essere la soluzione giusta a lungo termine

 

ALCUNE RISERVE — Tuttavia, questo progetto non è esattamente perfetto, afferma Wei. Nel suo rapporto, Wei evidenzia alcune criticità strutturali del progetto, in particolare il materiale utilizzato per la superficie del substrato e un adesivo impiegato per collegare i canali di refrigerante durante la fabbricazione. Per entrambi, la stabilità a lungo termine e l'efficacia in ambienti diversi — ad esempio, alle temperature tipiche dei processi di produzione dei microchip — destano preoccupazione.

Allo stesso modo, l'acqua come refrigerante per questo sistema potrebbe non essere una soluzione a lungo termine, dato che l'elettronica e l'acqua generalmente non vanno d'accordo. "Nonostante le sfide ancora da affrontare, [questo] lavoro rappresenta un grande passo verso sistemi di raffreddamento a basso costo, ultra-compatti ed efficienti dal punto di vista energetico per l'elettronica di potenza," ha aggiunto Wei.

Più piccolo di una moneta, questo microchip autorefrigerante nasconde alcuni segreti.Van Erp et al. / Nature