Nu de vraag naar kleinere microchips toeneemt, draaien problemen om aan die vraag te kunnen voldoen grotendeels om het vermogen om de warmte die ze genereren af te voeren. Maar het toevoegen van zelfkoelende elementen aan de chips is een oplossing die momenteel wordt getest.

“Deze intrinsieke beperking staat de wet van Moore in de weg, die voorspelt dat microchips en transistors steeds kleiner zullen blijven worden naarmate de rekenbehoeften en het vermogen toenemen. Zonder deze hittepieken te kunnen overwinnen, vormt de verdere miniaturisatie van microchips een probleem voor de rekenkracht,” merkt de website Inverse op.

Zwitserse onderzoekers werken al aan het rechtstreeks integreren van het koelsysteem met de chip zelf. Zoals Inverse stelt: “Deze aanpak kan verbeteringen van ordes van grootte in efficiëntie opleveren ten opzichte van eerder voorgestelde koelmodellen, en de rekenkracht een nieuw tijdperk van innovatie binnenleiden”.

Momenteel worden de mogelijkheden voor warmteafvoer fundamenteel beperkt door de thermische weerstand tussen de hardware - een halfgeleider - en de behuizing. De Zwitserse onderzoekers werken aan een chip die de koelelementen rechtstreeks op de chip kan integreren. Deze “microfluïdisch-elektronische co-design”, zoals ze het noemen, maakt gecontroleerde warmteafvoer en -beheer mogelijk.

Huidige koelmethoden zijn afhankelijk van grote hoeveelheden water. Elke kilowattuur aan energie heeft 2 gallon water nodig om te koelen. Aangezien Amerikaanse datacenters naar verwachting 73 miljard kilowattuur zullen verbruiken, zouden zij alleen al 220.000 olympische zwembaden aan water nodig hebben, legt Inverse uit.

Eerdere pogingen om zelfkoelende chips te ontwikkelen werden gedaan met koelelementen die apart van de elektronische elementen werden gebouwd en na fabricage werden gecombineerd. Deze methoden hadden problemen met kosten en thermisch gerelateerde spanning.

“Vermogenselektronica zijn solid-state elektronische apparaten die elektrisch vermogen omzetten in verschillende vormen, en worden gebruikt in een breed scala aan dagelijkse toepassingen — van computers tot batterijladers, airconditioners tot hybride elektrische voertuigen, en zelfs satellieten. De toenemende vraag naar steeds efficiëntere en kleinere vermogenselektronica betekent dat de hoeveelheid vermogen die per volume-eenheid van deze apparaten wordt omgezet, dramatisch is toegenomen. Dit heeft op zijn beurt de warmteflux van de apparaten verhoogd — de hoeveelheid warmte die per oppervlakte-eenheid wordt geproduceerd,” meldt Nature Magazine. 

"[Dit team] heeft een doorbraak bereikt door... een systeem te ontwikkelen waarin [koelkanalen] samen met een chip in één die worden geïntegreerd en gefabriceerd," schrijft de auteur van het rapport en werktuigbouwkundig ingenieur, Tiwei Wei. "De verborgen kanalen zijn dus ingebed net onder de actieve gebieden van de chip, zodat het koelmiddel direct onder de warmtebronnen langsstroomt."

Het team begon met het maken van het ingebedde koelsysteem en het toevoegen van verbrede koelmiddelkanalen op het substraat van de microchip. De kanalen werden afgesloten met koper en de overige elektronische componenten werden rechtstreeks op de chip gebouwd.

Met behulp van een waterkoelmiddel ontwierp het team een elektronische component die wisselstroom (AC) omzette in gelijkstroom (DC), en testte deze tegen een vergelijkbare component zonder ingebedde koeling. Er werden significant hogere efficiënties waargenomen, en de onderzoekers stelden de theorie dat dit systeem een koelvermogen heeft dat tot 50 keer groter is dan andere conventionele modellen.

En omdat de fabricagebenadering gebruikmaakt van bestaande systemen, zeggen de onderzoekers dat het al economisch haalbaar is.

Voorbehouden van Wei zijn onder meer dat de gebruikte materialen langdurig getest moeten worden in meerdere omgevingen, en dat water als koelmiddel misschien niet de juiste langetermijnoplossing is

 

ENKELE VOORBEHOUDEN — Maar dit ontwerp is niet meteen een voltreffer, zegt Wei. Wei wijst in zijn rapport op enkele structurele aandachtspunten in het ontwerp; namelijk het materiaal dat voor het substraatoppervlak wordt gebruikt en een kleefmiddel dat wordt gebruikt om de koelmiddelkanalen tijdens de fabricage te verbinden. Voor beide zijn de langetermijnstabiliteit en effectiviteit in verschillende omgevingen, bijvoorbeeld bij temperaturen die typisch zijn voor microchipfabricageprocessen, een punt van zorg.

Evenzo is water als koelmiddel voor dit systeem mogelijk ook geen langetermijnoplossing — gezien het feit dat elektronica en water doorgaans niet goed samengaan. "Ondanks de uitdagingen die nog moeten worden aangepakt, is [dit] werk een grote stap richting goedkope, ultracompacte en energiezuinige koelsystemen voor vermogenselektronica," voegde Wei toe.

Kleiner dan een muntstuk, deze zelfkoelende microchip herbergt enkele verborgen geheimen. Van Erp et al. / Nature