Тепло является ограничивающим фактором, который часто снижает производительность текущих процессоров. Суть жидкостного охлаждения заключается в том, что тепло отводится в воду. Исследователи рассмотрели возможность пропуска жидкости через сам чип. Команда из Швейцарии спроектировала чип и систему охлаждения как единое целое, при этом жидкостные каналы на кристалле размещены рядом с наиболее горячими частями чипа. В результате происходит прирост производительности при снижении тепла.
Есть несколько ограничений в разработке конструкции, где чип помещается прямо в теплопроводную жидкость. Вода должна быть каким-то образом изолирована и не вступать в химические реакции с электронными компонентами.
Было несколько демонстраций встроенного жидкостного охлаждения. Обычно это система, в которой устройство с набором каналов для жидкости размещается на кристалле, и система прокачивает жидкость через него. Это может отводить тепло от чипа, однако исследователи обнаружили, что для прокачки воды через эти каналы требуется больше энергии, чем пользователь извлекает из процессора. Дополнительная мощность не мешает рассеиванию тепла, но снижает энергоэффективность системы.
В новой работе исследователи продемонстрировали, что метод работает с использованием микросхемы преобразования энергии. Полупроводники, которые используются для задач преобразования энергии, обычно не являются кремнием. Вместо этого выбирают нитрид галлия (GaN), поскольку он лучше справляется с током и достигает высоких частот.
Для обеспечения совместимости с современными методами изготовления большинство устройств исследователи поместили GaN на кремниевой пластине, которая просто обеспечивает поддержку. Ученые управляли структурой кремния в очень маленьких масштабах, для размещения каналов охлаждающей жидкости вплотную к поверхности схемы GaN.
Исследователи расположили все так, чтобы самые горячие части устройства были расположены в непосредственной близости от одного из каналов, что позволяет более эффективно отводить тепло.
Во время эксперимента исследователи проверяли количество энергии, необходимое для проталкивания воды через систему. Лучшая конструкция для подобной системы, способна выдерживать тепловые потоки до 1700 Вт на квадратный сантиметр, ограничивая повышение температуры чипа до 60 ° C.
Чтобы превратить это исследование в удобное устройство, команда использовала толстый двусторонний клейкий слой и вырезала в нем каналы с помощью лазера. Затем чип приклеивается к этой поверхности. В клей закачивали воду, из которой она стекала на чип. Все это проделали на стандартной электронной плате с обоими выходами для подключения к источникам питания и клапанами, которые использовались для подачи воды в систему.
Когда система работает, температура повышается примерно на треть градуса Цельсия на каждый ватт потребляемой мощности. При увеличении термостойкости на 60 ° C означало, что устройство могло извлекать 176 Вт. При этом необходимый расход воды составил менее миллилитра в секунду. Благодаря ограничению нагрева схема более эффективно выполняла преобразование энергии.
По оценкам авторов, около 30 процентов энергии, потребляемой центрами обработки данных, идет на охлаждение, и они используют около 100 миллиардов литров воды ежегодно. Если бы эту технологию можно было внедрить во всех микросхемах, а не только в преобразователях мощности, она могла бы снизить количество энергии, необходимой для охлаждения, до менее процента от ее текущих значений.
Но пока исследователи далеки от этого. Метод не подходит для реализации в более сложных системах. Технологию также необходимо будет протестировать на ее долгосрочную стабильность, чтобы убедиться, что ее присутствие не вызывает структурных дефектов и что взаимодействие высокотемпературной воды с медью, кремнием и GaN не приводит к непредвиденным проблемам.