Kylning av matrisen med vatten

Att kyla matrisen med vatten, är det lösningen på framtidens kylning?

Kylprocessen hos en processor innebär att man måste överföra värme genom olika material: från munstycke till termisk pasta eller löd, från detta till IHS, sedan konventionell termisk pasta och sedan kylflänsen. Det är bevisat att vattenkylning är effektivare än hela processen, speciellt om vi skulle kunna applicera den direkt på munstycket eftersom vi skulle hoppa över en hel del av värmeöverföringsprocessen, men är det möjligt?

Kylning av matrisen med vatten

Processorkylning en kritisk faktor

När stationära processorer först korsade 1000 MHz hastighetsbarriär verkade det ett tag att du inte kunde gå högre än så. Men framsteg i driftshastighet slutade slutligen inte på grund av någonting att göra med själva hastigheten utan på grund av kraftbehovet och värmen det genererade.

Temperatura hallon

Även med nu vanliga kylflänsar och fläktar, liksom vätskekylsystem, är värme fortfarande en begränsande faktor som ofta bromsar utvecklingen av nuvarande processorer.

En del av problemet med lösningar för vätskekylning är att de är begränsade till att behöva ta värmen ur chipet och i vattnet i första hand, vilket har lett till att forskare och ingenjörer överväger att släppa vätskan genom själva chipet.

Att kyla matrisen direkt med vatten är verklighet

Och det är precis vad en grupp svenska forskare har gjort: de har lyckats designa en chip och dess kylsystem i en enda enhet , med vätskekanaler i själva chipet placerade tillsammans med de delar av det som genererar mest värme, med mer än lovande resultat när det gäller termisk prestanda.

En del av problemet med att ta bort värme från ett chip är att det i allmänhet involverar flera anslutningar – från chip till dess inkapsling och från chip till kylfläns. Även om åtgärder kan vidtas för att förbättra dessa anslutningar (den termiska pasta som vi nämnde tidigare) har de visat sig vara ineffektiva, vilket bidrar till att begränsa värmen som vi kan extrahera från chipet.

Disipador Cryorig Frostbit M.2

Detta liknar dagens flytande kylsystem, som använder flytande kylvätska för att ersätta metallkylaren. Även om det kan vara möjligt att placera chipet direkt i en värmeledande vätska, måste den vätskan i sin tur vara isolerande och inte genomgå kemiska reaktioner med elektroniska komponenter, båda hindren som vatten inte kan rensa.

Det har förekommit ett antal demos på vätskekylning på chip. Detta är i allmänhet ett system i vilket en anordning med en uppsättning vätskekanaler smälter in i själva chipet och ett system pumpar vätskan genom det. Detta kan orsaka att chipet värms upp och initiala implementeringar har visat att det finns en liten avvägning: det tar mer kraft att pumpa vatten genom dessa kanaler än vad som konsumeras av processorn. Den energin används inte där värme är ett problem, så det stör inte värmeavledning, men det minskar energieffektivitet av systemet.

Med andra ord har de lyckats skapa ett chip med nanorör med kylvätska som väsentligt förbättrar dess temperatur, men nackdelen är att detta kräver en pump som i sin tur genererar värme och förbrukar energi, så systemet är inte effektivt. Om du separerar pumpen från chipet, är den galor det genererar inte ett problem, ja.

Hur fungerar den här tekniken?

Halvledarna som används för energiomvandlingsuppgifter är vanligtvis inte av kisel, men alternativet är generellt galliumnitrid (GaN) eftersom den hanterar strömmen bättre och når ganska höga frekvenser. För att upprätthålla kompatibilitet med befintliga tillverkningsmetoder där kisel är råvaran är de flesta GaN-enheter byggda på en kiselskiva som helt enkelt ger fysiskt stöd snarare än att bidra med kretsar.

För forskarna gav kisel en möjlighet: vi vet hur man styr dess struktur i extremt liten skala (nanometer) som kan användas för att placera kylvätskekanaler direkt mot ytan på GaN-kretsar.

Byggprocessen är ganska detaljerad; Ursprungligen skärs extremt tunna spår genom GaN och in i det underliggande kislet. Sedan används enbart etsningsprocess för att utvidga dem till kanaler med de ursprungliga luckorna genom det kopparförslutna Gan-skiktet, vilket förbättrar värmeledningen i vattnet. Under dessa kanaler finns en uppsättning alternativa passager som fungerar som matare och sänkor; kallt vatten kommer in genom en matning, cirkulerar genom kanalen där den samlar värme och extraheras sedan genom en diskbänk.

Canales agua dör

Forskarna ordnar saker så att de hetaste delarna av GaN-delen av enheten placeras mycket nära kanalerna, vilket möjliggör effektivare värmeuttag. Många av de tester de har gjort involverar testning av olika elementgeometrier som kanalbredd och avstånd, men mängden energi som krävs för att tvinga vatten genom systemet har testats hela tiden, vilket också införde en annan begränsning när det gäller geometri.

Den bästa designen de hittills hittat kan hantera värmevätskor på upp till 1700 watt per kvadratcentimeter samtidigt som den maximala chiptemperaturen begränsas till 60 ° C.

Att kyla matrisen med vatten, är det framtiden?

För att göra all denna forskning till en användbar enhet har forskarna använt ett tjockt dubbelsidigt limskikt och kapat kanaler i det med en laser och sedan limmades chipet på detta lim. Tanken är att pumpa in vatten i limet, från vilket det kommer att strömma till chipet, och allt detta förpackas på ett enda elektroniskt kort med alla relevanta ström- och dataanslutningar.

Med dessa data krävde den första funktionella prototypen för en 176W TDP-enhet ett flöde av vatten i formen på mindre än en milliliter per sekund, vilket begränsade temperaturen till maximalt 60 ° C, som vi sa tidigare, vilket visar att de har lyckats övervinna hinder för effektivitet.

Enligt forskarna är i ett datacenter cirka 30% av energin som förbrukas för kylsystem; Om denna teknik skulle kunna användas i stor skala kan den kraftigt minska den energi som krävs för kylsystem, och inte bara det, men det skulle också öka hastigheten och prestandan hos nuvarande processorer, eftersom de för närvarande är begränsade av temperatur.