Σήμερα, η θερμότητα που παράγεται από πυκνό ηλεκτρονικό εξοπλισμό είναι μια δαπανηρή κατανάλωση πόρων. Προκειμένου να διατηρηθεί το σύστημα στη σωστή θερμοκρασία για βέλτιστη υπολογιστική απόδοση, το σύστημα ψύξης στις Ηνωμένες Πολιτείες καταναλώνει τόση ενέργεια και νερό όπως όλοι οι κάτοικοι της Φιλαδέλφειας. Τώρα, ενσωματώνοντας το κανάλι ψύξης υγρού απευθείας στο τσιπ ημιαγωγών, οι ερευνητές ελπίζουν να μειώσουν τουλάχιστον αυτήν την απώλεια σε ηλεκτρικό εξοπλισμό ισχύος, καθιστώντας τον μικρότερο, χαμηλότερο κόστος και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.
Παραδοσιακά, οι ηλεκτρονικές συσκευές και τα συστήματα θερμικής διαχείρισης σχεδιάζονται και κατασκευάζονται ξεχωριστά, λέει η Elison Matioli, καθηγήτρια ηλεκτρολόγων μηχανικών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Ecole στη Λωζάνη, Ελβετία. Αυτό φέρνει ένα θεμελιώδες εμπόδιο στη βελτίωση της απόδοσης ψύξης, επειδή η θερμότητα πρέπει να διανύσει μια σχετικά μεγάλη απόσταση σε πολλά υλικά που πρόκειται να αφαιρεθούν. Για παράδειγμα, στους σημερινούς επεξεργαστές του', τα σιφόνια θερμικών υλικών μεταφέρουν θερμότητα από το τσιπ στον ογκώδη ψύκτη με χαλκό αερόψυκτου.
Προκειμένου να επιτευχθεί μια πιο ενεργειακά αποδοτική λύση, ο Matioli και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια διαδικασία χαμηλού κόστους που τοποθετεί το τρισδιάστατο δίκτυο μικρορευστών καναλιών ψύξης απευθείας στο τσιπ ημιαγωγών. Το υγρό μπορεί να απομακρύνει τη θερμότητα καλύτερα από τον αέρα. Η ιδέα είναι να κρατήσετε το μικρόμετρο ψυκτικού υγρού μακριά από τα καυτά σημεία του τσιπ.
Σε αντίθεση όμως με την προηγουμένως αναφερθείσα τεχνολογία μικρορευστικής ψύξης, είπε: «Σχεδιάζουμε από την αρχή ηλεκτρονικές συσκευές και συστήματα ψύξης». Επομένως, ο μικροκαναλός βρίσκεται κάτω από την ενεργό περιοχή κάθε συσκευής τρανζίστορ, όπου η θερμοκρασία του είναι η υψηλότερη, η οποία αυξάνει την απόδοση ψύξης κατά 50 φορές. Ανέφεραν την κοινή τους ιδέα σχεδιασμού στο πρόσφατο" Nature" περιοδικό.
Οι ερευνητές έχουν προτείνει τεχνολογία ψύξης μικροκαναλιών ήδη από το 1981 και νεοσύστατες εταιρείες όπως η Cooligy έχουν επίσης ακολουθήσει την έννοια των επεξεργαστών. Ωστόσο, η βιομηχανία ημιαγωγών μετατοπίζεται από επίπεδες συσκευές σε τρισδιάστατες συσκευές και κινείται προς μελλοντικές μάρκες με πολυεπίπεδες δομές, γεγονός που καθιστά τα κανάλια ψύξης μη πρακτικά." Αυτό το είδος ενσωματωμένης λύσης ψύξης δεν είναι κατάλληλο για σύγχρονους επεξεργαστές και τσιπ, όπως CPU," δήλωσε ο Tiwei Wei, ο οποίος μελετά λύσεις ηλεκτρονικής ψύξης στο Interuniversity Microelectronics Center και στο KU Luuven στο Βέλγιο." Αντίθετα, αυτού του είδους η τεχνολογία ψύξης έχει τη μεγαλύτερη σημασία για τα ηλεκτρονικά ισχύος," αυτός είπε.
Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος διαχειρίζονται και μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως σε τομείς όπως υπολογιστές, κέντρα δεδομένων, ηλιακά πάνελ και ηλεκτρικά οχήματα. Χρησιμοποίησαν διακριτές συσκευές μεγάλης έκτασης κατασκευασμένες από ημιαγωγούς ευρείας ζώνης, όπως το νιτρίδιο του γαλλίου. Η πυκνότητα ισχύος αυτών των συσκευών έχει αυξηθεί κατακόρυφα τα τελευταία χρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να είναι" συνδεδεμένα με μια τεράστια ψύκτρα," Είπε ο Ματόλι.
Πρόσφατα, οι ηλεκτρονικές μονάδες ισχύος έχουν στραφεί σε υγρή ψύξη, είτε μέσω ψυχρών πλακών είτε μέσω συστημάτων ψύξης μικροκαναλιών. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, όλα τα συστήματα ψύξης μικρο-καναλιών έχουν κατασκευαστεί ξεχωριστά και στη συνέχεια συνδυάζονται με τσιπ. Το στρώμα συγκόλλησης αυξάνει την αντίσταση στη θερμότητα και το κανάλι και η συσκευή κυκλώματος δεν ευθυγραμμίζονται στενά.
& quot; Το ανεβάσαμε στο επόμενο επίπεδο," Είπε ο Matoli, κατασκευάζοντας εξοπλισμό και κανάλια ψύξης στο ίδιο τσιπ. Έγραψαν ρωγμές πλάτους μικρών στο στρώμα νιτριδίου του γαλλίου επικαλυμμένο στο υπόστρωμα πυριτίου. Η σχισμή έχει μήκος 30μm και βάθος 115μm. Χρησιμοποιώντας ειδική τεχνολογία χάραξης αερίου, διευρύνουν το κενό στο υπόστρωμα πυριτίου για να σχηματίσουν ένα κανάλι μέσα από το οποίο διέρχεται το υγρό ψυκτικό υγρό.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν χαλκό για να σφραγίσουν τα μικροσκοπικά ανοίγματα στο στρώμα νιτριδίου του γαλλίου και κατασκευασμένες συσκευές σε αυτό. Είπε:" Έχουμε μικροκανάλια μόνο σε μικροσκοπικές περιοχές της γκοφρέτας και αυτά τα μικροκανάλια είναι σε επαφή με κάθε τρανζίστορ. Αυτό καθιστά αυτήν την τεχνολογία πιο αποτελεσματική επειδή μπορούμε να βγάλουμε πολλή θερμότητα από το κοντινό, αλλά η άντληση που χρησιμοποιούμε Η ισχύς είναι πολύ μικρή."
Ως επίδειξη, οι ερευνητές έφτιαξαν ένα κύκλωμα ανορθωτή AC-DC αποτελούμενο από τέσσερις διόδους Schottky. Κάθε δίοδος μπορεί να χειριστεί 1,2 kV. Ένα κύκλωμα όπως αυτό συνήθως απαιτεί μια ψύκτρα μεγέθους γροθιάς. Αλλά το τσιπ κυκλώματος ενσωματωμένο στο σύστημα ψύξης υγρού είναι τοποθετημένο σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μεγέθους μονάδας flash USB. Η πλακέτα κυκλώματος αποτελείται από τρία στρώματα με χαραγμένα κανάλια για να μεταφέρει το ψυκτικό υγρό στο τσιπ.
Η οθόνη δείχνει ότι τα θερμά σημεία με πυκνότητα ισχύος μεγαλύτερη από 1700 W/cm² μπορούν να ψυχθούν μόνο με αντλητική ισχύ 0,57 W/cm². Σε σύγκριση με την προηγουμένως αναφερόμενη ψύξη μικρορευστικών καναλιών, η απόδοση βελτιώνεται κατά 50 φορές.
Ο Wei είπε," Η αξιοπιστία του φιλμ νιτριδίου του γαλλίου και του στρώματος στεγανοποίησης χαλκού πρέπει να μελετηθεί με την πάροδο του χρόνου. Αλλά αυτή η καινοτόμος λύση ψύξης είναι ένα βήμα προς ένα&«χαμηλού κόστους, εξαιρετικά συμπαγές και εξοικονόμηση ενέργειας ηλεκτρονικό σύστημα ψύξης." Ένα μεγάλο βήμα μπροστά."