Danas je toplina iz guste elektronike skup resurs. Kako bi sistem održavao odgovarajuću temperaturu za optimalne računske performanse, rashladni sistem američkog podatkovnog centra troši toliko energije i vode kao i svi stanovnici Philadelphije. Sada, integriranjem kanala za hlađenje s tekućinom izravno u poluvodičke čipove, istraživači se nadaju da će smanjiti ovaj gubitak barem u energetskoj elektronici, čineći ih manjim, jeftinijim i manje energetski intenzivnim.
Tradicionalno, elektronički uređaji i sustavi upravljanja toplinom dizajnirani su i proizvedeni odvojeno, kaže Elison Matioli, profesor elektrotehnike na Ecole Polytechnique u Lozani, Švicarska. Ovo predstavlja temeljnu prepreku poboljšanoj efikasnosti hlađenja, jer toplina mora prijeći relativno velike udaljenosti po više materijala prije nego što se može ukloniti. U današnjim procesorima kompanije' na primjer, sifoni vrućeg materijala prenose toplinu iz čipa na glomazna, zračno hlađena bakrena peraja.
Za energetski efikasnije rješenje, Matioli i njegove kolege razvili su jeftin proces koji stavlja 3D mrežu mikrofluidnih rashladnih kanala izravno u poluvodički čip. Tekućina bolje uklanja toplinu od zraka, a ideja je držati mikrometar rashladne tekućine dalje od žarišta na čipu.
Ali za razliku od prethodno prijavljenih mikrofluidnih hlađenja, rekao je," Mi dizajniramo elektroniku i sistem hlađenja od početka." Tako se mikrokanal nalazi neposredno ispod aktivnog područja svakog tranzistorskog uređaja, gdje je na najvišoj temperaturi, što povećava performanse hlađenja za faktor 50. Oni su iznijeli svoj zajednički koncept dizajna u nedavnom izdanju Nature.
Istraživači su predložili tehnologiju hlađenja mikrokanala još 1981. godine, a startupovi poput Cooligyja godinama slijede ideju o procesorima. Ali industrija poluvodiča prelazi s ravnih uređaja na trodimenzionalne uređaje i prema budućim čipovima s višeslojnom strukturom, čineći rashladne kanale nepraktičnim." Ovo ugrađeno rješenje za hlađenje nije prikladno za savremene procesore i čipove kao što su cpus," rekao je TiweiWei, koji istražuje rješenja za elektroničko hlađenje u Međuuniverzitetskom centru za mikroelektroniku i KU Luuven u Belgiji." Umjesto toga, ova tehnologija hlađenja ima najviše smisla za energetsku elektroniku," on je rekao.
Energetski elektronički krugovi upravljaju i pretvaraju električnu energiju i široko se koriste u računarima, podatkovnim centrima, solarnim panelima i električnim vozilima. Koristili su diskretne uređaje velike površine izrađene od poluprovodnika širokog pojasa, poput galijevog nitrida. Gustoća snage ovih uređaja skočila je u posljednjih nekoliko godina, što znači da moraju biti" priključeni na džinovski radijator," Rekao je Matoli.
U novije vrijeme moduli energetske elektronike prešli su na tekuće hlađenje, bilo putem hladnih ploča ili mikrokanalnih rashladnih sistema. No, do sada su svi mikrokanalni rashladni sistemi proizvedeni zasebno, a zatim su kombinirani s čipom. Spojni sloj dodaje otpornost na toplinu, kanali i oprema kola nisu čvrsto poravnati.
& quot; Prešli smo na sljedeći nivo," Kaže Matoli, praveći uređaje i rashladne kanale u istom čipu. Oni su urezali pukotine široke mikrona u sloju galijevog nitrida premazanog na silikonskoj podlozi. Dužina proreza 30μm, duboka 115μm. Pomoću posebnih tehnika graviranja plinom proširuju se praznine u silikonskoj podlozi stvarajući kanale kroz koje prolazi tekuća rashladna tekućina.
Istraživači su zatim koristili bakar za zatvaranje malih otvora u slojevima galijevog nitrida i izgradnju uređaja na njima.&"Mi imamo samo mikrokanale u malim površinama pločice koji su u kontaktu sa svakim tranzistorom, &"; on je rekao. Ovo čini tehnologiju mnogo efikasnijom jer možemo izvući mnogo topline iz obližnjih mjesta, ali snaga crpljenja koju koristimo je vrlo mala."
Kao demonstraciju, istraživači su izgradili AC-DC ispravljačko kolo koje se sastoji od četiri Schottkyjeve diode, svaka sposobna da podnese 1,2 kV napona. Takvi krugovi obično zahtijevaju radijator veličine šake. Ali čip kola sa sistemom za hlađenje sa tečnošću montiran je na štampanu ploču veličine USB fleš diska. Ploča se sastoji od tri sloja s kanalima koji su ugrađeni u nju za isporuku rashladne tekućine u čip.
Ekran prikazuje da se vruće tačke sa gustinom snage većom od 1.700 vati po kvadratnom centimetru mogu hladiti koristeći samo 0,57 vati po kvadratnom centimetru snage pumpe. Ovo je 50 puta poboljšanje performansi u odnosu na prethodno prijavljeno hlađenje mikrofluidnog kanala.
& "Pouzdanost filmova od galijevog nitrida i bakrenih brtvi treba proučavati s vremenom. Ali ovo inovativno rješenje za hlađenje veliki je korak prema jeftinom, ultra kompaktnom i energetski efikasnom sistemu hlađenja elektronike.