Nowy system chłodzenia komputerów może zrewolucjonizować tempo innowacji

0
40
views
Zdjęcie górnej i dolnej strony chipów ze zintegrowanym chłodzeniem mikroprzepływowym, obok zminiaturyzowanego przetwornika mocy (Armin Jafari / EPFL)

Szwajcarski zespół stworzył maleńkie, wypełnione płynem kanały w mikrochipach, aby odprowadzały ciepło i oszczędzały energię.

W 1965 roku Gordon Moore, współzałożyciel Intela, przewidywał, że komputery zwiększą moc i gwałtownie spadną ceny. To, co później stało się znane jako prawo Moore’a, przez dziesięciolecia okazało się prawdą, ponieważ moc przetwarzania mikroprocesora rosła mniej więcej dwukrotnie, a koszty spadały co kilka lat. Ale wraz ze wzrostem mocy wykładniczo wzrastało ciepło wytwarzane przez upakowanie miliardów tranzystorów na szczycie chipa wielkości paznokcia.

Gdy prąd napotyka opór przechodzący przez te procesory, wytwarza ciepło. Więcej procesorów oznacza wyższe temperatury, co zagraża ciągłemu wzrostowi mocy komputera, ponieważ w miarę rozgrzewania chipy tracą wydajność i ostatecznie ulegają awarii.

Istnieje również koszt środowiskowy. Te wióry i ich chłodzenie pochłaniają moc z nienasyconym głodem. Centra danych zużywają mniej więcej 1% światowej energii elektrycznej. W samych Stanach Zjednoczonych zużywają energię elektryczną i wodę do chłodzenia mniej więcej tyle samo, ile zużywa całe miasto Filadelfia w ciągu roku.

Teraz szwajcarscy naukowcy opublikowali w czasopiśmie Nature badanie, w którym napisano, że mają jedno rozwiązanie problemu chłodzenia. „Centra danych zużywają ogromne ilości energii elektrycznej i wody, ponieważ w miarę jak coraz bardziej polegamy na tych danych, zużycie to po prostu wzrośnie” – mówi Elison Matioli, profesor w Instytucie Elektrotechniki w Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ( EPFL), który prowadził badanie. „Tak więc znalezienie sposobów radzenia sobie z wydzielanym ciepłem lub mocą jest niezwykle ważną kwestią”.

Niektóre centra danych polegają na płynach przepływających przez serwery, aby odprowadzać ciepło. Ale te systemy są projektowane i wytwarzane oddzielnie, a następnie łączone z chipami. Matioli i jego zespół wspólnie zaprojektowali i wyprodukowali chipy i ich systemy chłodzenia cieczą. W nowej konstrukcji elementy chłodzące są zintegrowane poprzez tworzenie mikro-kanałów dla płynu w półprzewodnikach, które odprowadzają ciepło, oszczędzają energię i łagodzą problemy środowiskowe stwarzane przez centra danych.

Ich prace mogą również mieć ważne zastosowania w zelektryfikowanej przyszłości, pomagając wyeliminować problem z ciepłem i zmniejszyć rozmiary przetworników mocy w samochodach, panelach słonecznych i innej elektronice. „Proponowana technologia powinna umożliwić dalszą miniaturyzację elektroniki, potencjalnie rozszerzając prawo Moore’a i znacznie zmniejszając zużycie energii na chłodzenie elektroniki” – piszą.

Jak twierdzi Yogendra Joshi, profesor inżynierii z Georgia Tech, który nie brał udziału w badaniu, ciepło wytwarzane przez chipy w elektronice było problemem już w latach 80. Wczesne mikroprocesory, takie jak pierwsza jednostka centralna Intela wydana w 1971 roku, nie wytwarzały wystarczająco dużo ciepła, aby wymagać chłodzenia. W latach dziewięćdziesiątych wentylatory i radiatory były zintegrowane z praktycznie wszystkimi jednostkami centralnymi – fizycznym sercem komputera, które zawiera pamięć i komponenty obliczeniowe – ponieważ zwiększona moc generowała zwiększone ciepło. Ale poleganie na metalowych radiatorach, które odprowadzają ciepło i rozpraszają je w powietrzu, zwiększa temperaturę całego urządzenia i tworzy pętlę, która po prostu wytwarza więcej ciepła. „Elektronika zazwyczaj nie działa dobrze, gdy jest gorąca” – dodaje Matioli. „Tak więc w pewnym sensie zmniejszasz wydajność całej elektroniki, co w efekcie powoduje większe nagrzewanie się chipa”.

Czytaj: Musk twierdzi, że implanty mózgowe Neuralink są gotowe do testów na ludziach

Już na początku lat 90. badacze zajmowali się mikro-przepływami, nauką o kontrolowaniu płynów w małych kanałach. Wysiłki wzmogły się po tym, jak Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA (DARPA) po raz pierwszy zainteresowała się tą technologią pod koniec lat 90., ale zaczęto się nią bardziej interesować w 2008 r., gdy liczba wytwarzających ciepło tranzystorów na chipie mikroprocesora wzrosła z tysięcy do miliardów. Joshi szacuje, że agencja wydała 100 milionów dolarów na badania, w tym na finansowanie tak zwanych programów ICECool w IBM i Georgia Tech od 2012 roku.

Przez lata chłodzenie cieczą w wiórach było badane w trzech podstawowych projektach. Pierwsze dwa projekty nie zapewniały bezpośredniego kontaktu płynu chłodzącego z chipem. Do schładzania wiórów stosowano pokrywę zimnego talerza z kanałami mikro-przepływowymi. Inny projekt zawierał warstwę materiału z tyłu wiórów, która przenosiła ciepło na chłodzoną płynem płytę bez pokrywy. Trzeci projekt, ten, który zbadał Matioli i jego zespół, zapewnia bezpośredni kontakt chłodziwa z chipem.

Badania Matioli opierają się na pracy Joshiego i innych. W 2015 roku Joshi i jego zespół zgłosili, że kanały chłodziwa bezpośrednio w układach scalonych generowały temperatury o 60% niższe niż w przypadku chłodzenia powietrzem. „Technologia chłodzenia będzie absolutnie krytyczna, a stosowanie płynów innych niż powietrze jest kluczowym elementem umożliwiającym zmniejszenie tego bardzo dużego zapotrzebowania na odprowadzanie ciepła generowanego przez komputery” – mówi Joshi.

Blue link: https://www.tbgtechco.com

Aby przetestować swoją koncepcję, zespół zaprojektował chipy chłodzone wodą, konstruujące prąd przemienny (AC) w prąd stały (DC), integrując mikro-kanały wypełnione wodą w tym samym półprzewodnikowym podłożu. Zastosowanym podłożem był azotek galu, a nie krzem, co umożliwiło znacznie mniejszą miniaturyzację niż typowo stosowany krzem. Rezultatem, według artykułu, jest moc chłodzenia do 50 razy większa niż w konwencjonalnych projektach.

Czytaj: Wrocław będzie walczyć z nielegalnymi wysypiskami śmieci wykorzystując drony

Sztuczka polegała na znalezieniu nowego sposobu wytwarzania chipów, tak aby kanały płynów, od 20 mikronów (szerokość komórki ludzkiej skóry) do 100 mikronów, były jak najbliżej elektroniki. Połączyli je z dużymi kanałami z tyłu chipa, aby zmniejszyć ciśnienie potrzebne do przepływu cieczy. „Analogia jest taka, jak nasze ciała” – mówi Matioli. „Mamy większe tętnice i mniejsze naczynia włosowate i w ten sposób całe ciało minimalizuje ciśnienie niezbędne do rozprowadzania krwi”.

Technologia chłodzenia ma potencjał, by stać się kluczową częścią przetwornic mocy, od małych urządzeń po samochody elektryczne. Konwerter stworzony przez zespół Matioli zapewniał ponad trzykrotnie większą moc niż typowa ładowarka do laptopa, ale był wielkości pendrive’a. Porównuje to do ewolucji komputera, który kiedyś wypełniał pokój, a teraz mieści się w kieszeni. „Moglibyśmy zacząć wyobrażać sobie to samo dla energoelektroniki w zastosowaniach, które sięgają od zasilaczy, przez pojazdy elektryczne, od falowników słonecznych do paneli słonecznych i wszystkiego, co jest związane z energią” – mówi Matioli. „To otwiera wiele możliwości”.

Jego zespół wzbudza zainteresowanie producentów, ale odmówił wchodzenia w szczegóły. Dla Joshiego badania to pierwszy krok. „Pozostaje jeszcze wiele do zrobienia w zakresie skalowania tego podejścia i jego wdrażania w rzeczywistych produktach”.

W komentarzu towarzyszącym artykułowi Nature, Tiwei Wei, naukowiec z Uniwersytetu Stanforda, który nie brał udziału w badaniu, również powiedział, że istnieją wyzwania związane z wdrożeniem projektu, w tym zbadaniem żywotności warstwy azotku galu i możliwych problemów produkcyjnych. Ale ich praca, mówi, „to duży krok w kierunku tanich, ultra-kompaktowych i energooszczędnych systemów chłodzenia dla energoelektroniki”.

Źródło: www.smithsonianmag.com