Os pesquisadores construíram resfriamento líquido dentro de um cristal semicondutor

Quando os processadores de desktop atingiram a frequência de 1 GHz pela primeira vez, pareceu por um tempo que não havia outro lugar para ir. No início, foi possível aumentar a frequência devido a novos processos técnicos, mas o progresso das frequências acabou desacelerando devido às crescentes necessidades de remoção de calor. Mesmo dissipadores de calor e ventiladores enormes às vezes não conseguem remover o calor dos chips mais poderosos.

Pesquisadores na Suíça decidiram tentar uma nova maneira de remover o calor, passando o líquido pelo próprio cristal. Eles projetaram o chip e o sistema de resfriamento como uma unidade, colocando o líquido nos canais do chip perto das partes mais quentes do chip. O resultado são ganhos de desempenho impressionantes com dissipação de calor eficiente.

Parte do problema com a remoção de calor do chip reside no fato de que geralmente estamos falando de várias etapas: o calor é removido do microcircuito para a embalagem do chip, depois da embalagem para o radiador e depois para o ar (pasta térmica, câmaras de evaporação, etc.) Mais distante). Juntos, isso limita a quantidade de calor que pode ser removida do chip. Isso também é válido para os sistemas de refrigeração líquida em uso hoje. Seria possível colocar o chip diretamente em um líquido condutor de calor, mas este não deve conduzir eletricidade e entrar em reações químicas com componentes eletrônicos.

Já houve várias demonstrações do resfriamento a líquido embutido no chip. Normalmente, estamos falando de um sistema no qual um dispositivo com um conjunto de canais de líquido é fundido a um cristal e o próprio líquido é bombeado através dele com bombas. Isso permite remover efetivamente o calor do chip, mas as implementações iniciais mostraram que há uma forte pressão nos canais e muita energia é necessária para bombear água dessa forma – mais do que é removida do processador. Isso reduz a eficiência energética do sistema e, além disso, coloca um estresse mecânico perigoso no chip.

Uma nova pesquisa desenvolve ideias para melhorar a eficiência dos sistemas de resfriamento on-chip. Para a solução, sistemas de resfriamento tridimensionais podem ser usados ​​- microcanais com um manifold embutido (microcanais de manifold embutidos, EMMC). Neles, um coletor hierárquico tridimensional é um componente de um duto com várias portas para distribuição de refrigerante.

Os pesquisadores desenvolveram um microcanal integrado monoliticamente integrado (mMMC) ao integrar o EMMC diretamente no chip. Canais ocultos são construídos sob as áreas ativas do chip e o líquido refrigerante flui diretamente sob as fontes de calor. Para criar mMMS, primeiro em um substrato de silício revestido com um semicondutor – nitreto de gálio (GaN), fendas estreitas são gravadas sob os canais; em seguida, o ataque isotrópico com gás é aplicado para alargar as fendas em silício para a largura de canal necessária; os orifícios na camada de GaN sobre os canais são então selados com cobre. O chip pode ser fabricado em uma camada de GaN. Este processo não requer um sistema de conexão entre o manifold e o dispositivo.

Os pesquisadores implementaram um módulo eletrônico de potência que converte corrente alternada em corrente contínua. Com a sua ajuda, fluxos de calor de mais de 1,7 kW / cm2 podem ser resfriados usando uma potência de bombeamento de apenas 0,57 W / cm2. Além disso, o sistema exibe uma eficiência de conversão muito maior do que um dispositivo não resfriado comparável devido à falta de autoaquecimento.

No entanto, não se deve esperar o aparecimento iminente de chips baseados em GaN com um sistema de resfriamento integrado – ainda há uma série de questões fundamentais a serem resolvidas, como estabilidade do sistema, temperaturas extremas e assim por diante. E, no entanto, este é um passo notável em direção a um futuro mais brilhante e frio.