Сегодня тепло от плотной электроники - дорогой ресурс. Чтобы поддерживать в системе нужную температуру для оптимальной вычислительной производительности, система охлаждения центра обработки данных в США потребляет столько же энергии и воды, сколько все жители Филадельфии. Теперь, интегрируя каналы жидкостного охлаждения непосредственно в полупроводниковые чипы, исследователи надеются уменьшить эти потери, по крайней мере, в силовой электронике, сделав их меньше, дешевле и менее энергоемкими.
«Традиционно электронные устройства и системы терморегулирования разрабатывались и производились отдельно», - говорит Элисон Матиоли, профессор электротехники в Ecole Polytechnique в Лозанне, Швейцария. Это представляет собой фундаментальное препятствие для повышения эффективности охлаждения, поскольку тепло должно проходить относительно большие расстояния через несколько материалов, прежде чем его можно будет удалить. В современных процессорах &, например, сифоны горячего материала передают тепло от кристалла к громоздким медным ребрам с воздушным охлаждением.
Для более энергоэффективного решения Матиоли и его коллеги разработали недорогой процесс, который помещает трехмерную сеть каналов микрожидкостного охлаждения непосредственно в полупроводниковый чип. Жидкость отводит тепло лучше, чем воздух, и идея состоит в том, чтобы держать микрометр охлаждающей жидкости подальше от горячей точки на чипе.
Но в отличие от микрожидкостного охлаждения, о котором сообщалось ранее, он сказал: «Мы проектируем электронику и систему охлаждения с самого начала." Таким образом, микроканал расположен чуть ниже активной области каждого транзисторного устройства, где он имеет самую высокую температуру, что увеличивает эффективность охлаждения в 50 раз. Они сообщили о своей совместной концепции дизайна в недавнем выпуске журнала Nature.
Исследователи предложили технологию микроканального охлаждения еще в 1981 году, и такие стартапы, как Cooligy, годами преследовали идею процессоров. Но полупроводниковая промышленность переходит от плоских устройств к трехмерным и к будущим микросхемам с многослойной структурой, что делает каналы охлаждения непрактичными." Это встроенное охлаждающее решение не подходит для современных процессоров и микросхем, таких как cpus," сказал TiweiWei, который исследует решения для электронного охлаждения в Межвузовском центре микроэлектроники и KU Luuven в Бельгии." Вместо этого эта технология охлаждения имеет наибольший смысл для силовой электроники," он сказал.
Силовые электронные схемы управляют и преобразуют электрическую энергию и широко используются в компьютерах, центрах обработки данных, солнечных панелях и электромобилях. Они использовали дискретные устройства большой площади, сделанные из широкозонных полупроводников, таких как нитрид галлия. Плотность мощности этих устройств резко возросла за последние несколько лет, что означает, что они должны быть подключены к гигантскому радиатору," - сказал Матоли.
В последнее время модули силовой электроники перешли на жидкостное охлаждение с использованием охлаждающих пластин или микроканальных систем охлаждения. Но до сих пор все микроканальные системы охлаждения изготавливались отдельно, а затем объединялись с чипом. Связующий слой добавляет термостойкость, каналы и схемное оборудование не совмещены плотно.
& quot; Мы перешли на новый уровень," По словам Матоли, путем создания устройств и каналов охлаждения в одном чипе. Они протравили микронные трещины в слое нитрида галлия, нанесенном на кремниевую подложку. Длина щели 30 мкм, глубина 115 мкм. Используя специальные методы газового травления, они расширяют зазоры в кремниевой подложке, чтобы сформировать каналы, через которые проходит жидкий хладагент.
Затем исследователи использовали медь, чтобы запечатать крошечные отверстия в слоях нитрида галлия и построить на них устройства." У нас есть микроканалы только в крошечных областях пластины, которые контактируют с каждым транзистором," он сказал. Это делает технологию намного более эффективной, потому что мы можем извлекать много тепла поблизости, но мощность накачки, которую мы используем, очень мала."
В качестве демонстрации исследователи построили схему выпрямителя постоянного и переменного тока, состоящую из четырех диодов Шоттки, каждый из которых способен выдерживать напряжение 1,2 кВ. Для подобных схем обычно требуется радиатор размером с кулак. А вот микросхема с системой жидкостного охлаждения смонтирована на печатной плате размером с флешку. Печатная плата состоит из трех слоев с прорезанными в ней каналами для доставки охлаждающей жидкости к микросхеме.
На дисплее показано, что горячие точки с удельной мощностью более 1700 Вт на квадратный сантиметр можно охладить, используя мощность накачки всего 0,57 Вт на квадратный сантиметр. Это 50-кратное улучшение производительности по сравнению с ранее описанным охлаждением микрожидкостных каналов.
& quot; Надежность пленок нитрида галлия и медных уплотнений должна быть изучена с течением времени. Но это инновационное решение для охлаждения - большой шаг к недорогой, сверхкомпактной и энергоэффективной системе охлаждения силовой электроники.