По мере роста спроса на всё более компактные микрочипы проблемы с удовлетворением этого спроса в значительной степени связаны со способностью отводить выделяемое ими тепло. Однако добавление в чипы элементов самоохлаждения — это решение, которое сейчас проходит испытания.

«Это внутреннее ограничение стоит на пути закона Мура, который предполагает, что микрочипы и транзисторы будут и дальше становиться всё меньше по мере роста вычислительных потребностей и мощности. Если не удастся справиться с перегревом, дальнейшая миниатюризация микрочипов создаст проблему для вычислительной техники», — отмечает сайт Inverse.

Швейцарские исследователи работают над интеграцией системы охлаждения непосредственно в сам чип. Как утверждает Inverse: «Этот подход может обеспечить улучшения на порядки в эффективности по сравнению с ранее предложенными моделями охлаждения и открыть для вычислительной техники новую эру инноваций».

В настоящее время возможности отвода тепла принципиально ограничены тепловым сопротивлением между аппаратной частью — полупроводником — и корпусом. Швейцарские исследователи работают над чипом, способным интегрировать элементы охлаждения непосредственно в сам чип. Такое «микрофлюидно-электронное совместное проектирование», как они его называют, может обеспечить контролируемое рассеивание и управление теплом.

Современные методы охлаждения требуют больших объёмов воды. На охлаждение каждого киловатт-часа энергии требуется 2 галлона воды. Учитывая, что дата-центры США, по прогнозам, будут потреблять 73 миллиарда киловатт-часов, одним только им потребовалось бы 220 000 олимпийских бассейнов воды, поясняет Inverse.

Прежние попытки создать самоохлаждающиеся чипы предполагали изготовление элементов охлаждения отдельно от электронных элементов с последующим соединением после изготовления. Эти методы были сопряжены с проблемами стоимости и термических нагрузок.

«Силовая электроника представляет собой твердотельные электронные устройства, преобразующие электрическую энергию в различные формы, и используется в огромном множестве повседневных приложений — от компьютеров до зарядных устройств для аккумуляторов, от кондиционеров воздуха до гибридных электромобилей и даже спутников. Растущий спрос на всё более эффективные и компактные устройства силовой электроники означает, что мощность, преобразуемая на единицу объёма этих устройств, значительно выросла. Это, в свою очередь, увеличило тепловой поток устройств — количество тепла, вырабатываемого на единицу площади», — сообщает Nature Magazine. 

«[Эта команда] совершила прорыв, разработав... систему, в которой [охлаждающие каналы] интегрированы и совместно изготовлены с чипом в едином кристалле», — пишет автор отчёта и инженер-механик Тивей Вэй (Tiwei Wei). «Таким образом, встроенные каналы расположены прямо под активными областями чипа, благодаря чему хладагент проходит непосредственно под источниками тепла».

Команда начала с создания встроенной системы охлаждения и добавления расширенных каналов для хладагента на подложку микрочипа. Каналы были герметизированы медью, а остальные электронные компоненты были построены непосредственно поверх чипа.

Используя воду в качестве хладагента, команда разработала электронный компонент, преобразующий переменный ток (AC) в постоянный (DC), и протестировала его в сравнении с аналогичным компонентом без встроенного охлаждения. Была отмечена значительно более высокая эффективность, и исследователи предполагают, что мощность охлаждения этой системы может быть до 50 раз выше, чем у обычных моделей.

И поскольку подход к изготовлению использует уже существующие системы, исследователи утверждают, что он уже экономически целесообразен.

Среди оговорок Вэя — необходимость долгосрочных испытаний используемых материалов в различных условиях, а также то, что вода в качестве хладагента может оказаться не лучшим долгосрочным решением

 

НЕКОТОРЫЕ ОГОВОРКИ — Однако, по словам Вэя, эта конструкция не является идеальным решением. В своём отчёте Вэй указывает на несколько структурных проблем конструкции, а именно на материал, используемый для поверхности подложки, и на клей, применяемый для соединения каналов хладагента в процессе изготовления. В обоих случаях вызывают опасение долгосрочная стабильность и эффективность в различных условиях, например, при температурах, характерных для типичных процессов производства микрочипов.

Аналогичным образом, вода в качестве хладагента для этой системы также может оказаться не долгосрочным решением — учитывая, что электроника и вода, как правило, плохо сочетаются. «Несмотря на трудности, которые ещё предстоит решить, [эта] работа представляет собой важный шаг на пути к недорогим, сверхкомпактным и энергоэффективным системам охлаждения для силовой электроники», — добавил Вэй.

Этот самоохлаждающийся микрочип размером меньше монеты скрывает несколько секретов. Van Erp et al. / Nature