Електронните компоненти стават все по малки и по-плътни, но едновременно с това и по-горещи. Силициевите чипове не работят никак добре при високи температури и борбата с непрекъснато растящото количество топлина, която се отделя от милиардите и дори десетки милиардите транзистори е сериозна и все по-актуална технологична задача.
Има най-различни начини за охлаждане на силициевите чипове – от обикновени пасивни радиатори до сложните съвременни системи за водно охлаждане. При по-съвременните системи за водно охлаждане на чиповете се използва малък воден блок с микроканали, през които преминава течността отвеждаща топлината от повърхността на чипа. Тези микроканали трябва да бъдат колкото се може по-тесни, за да може разсейването на топлината да е по-добро. Но колкото са по-тесни тези микроканали, толкова по-голямо налягане се изисква да подава помпата, за да може течността да преминава през тези миниатюрни канали. Само че за създаването на подобно налягане е необходимо голямо количество енергия.
Учените от Швейцарския федерален технологичен институт в Лозана (EPFL) съобщиха за разработената от тях нова технология, с която охлаждането на чиповете е много по-ефективно. При този нов подход също има мрежа от микроканали, но тя прилича на човешката кръвоносна система и е интегрирана в самия полупроводников компонент и не се добавя по-късно. Научната работа за новия тип охлаждане бе публикувана в списание Nature.
Елисън Матиоли, професор от катедрата по електротехника на EPFL и неговите колеги представиха чип, съставен от тънък слой от полупроводника галиев нитрид (GaN), нанесен върху по-дебела силициева подложка. В обикновените чипове тази подложка просто поддържа структурната цялост на галиевия нитрид, но в новата система през тази подложка преминават микроканали, които са разположени по такъв начин, че повечето от тях преминават през зоните на чипа, които се нагряват най-много.
За да се реши проблема с високата консумация на енергия, необходима за създаването на налягане за преминаване на охлаждащата течност през миниатюрните канали, учените са създали разпределителна мрежа, съставена от широки канали, които се стесняват само в местата с голяма концентрация на топлина. Това решение рязко намалява количеството енергия необходимо за работа на системата.
‘Нашето охлаждане много прилича на кръвоносната система на човека, която се състои от големи кръвоносни съдове, които се разклоняват и превръщат в капиляри в определени области на нашите тела’ – казва професор Матиоли.
Експериментите, проведени в лабораториите на EPFL показаха, че коефициентът на полезно действие на новата система по отношение на нейната ефективност, е цели 50 пъти по-висок в сравнение с другата подобна технология на охлаждане, която има микроканали с еднаква широчина и не е интегрирана в чипа.
‘Главният технологичен пробив при този подход е иновационният метод на изготвяне, който обединява електронните и охладителните структури в единен производствен процес’ – споделя Тивай Вей, един от рецензентите на статията и научен сътрудник е центъра по микроелектроника на Белгия.
Тоя добавя, че тази интеграция помага микроканалите максимално да се приближат до най-силно нагрятите зони на чипа и осигурява много по-ефективно охлаждане.
‘Това е важно изследване, понеже премахва разрива между две различни общности: тази на силовата електроника и общността, занимаваща се с охлаждането на електрониката. Досега в повечето научни работи от подобен род те се разглеждаха отделно’ – каза Сянмин Дай, доцент от катедрата по машиностроене на Тексаския университет в Далас, който не е участвал в изследването и е в ролята на независим наблюдател,
Топлинното инженерство при разработването на нов чип обикновено остава настрана и се разглежда едва след като електрическата схема е изцяло проектирана. Но Уилям Кинг, професор и завеждащ катедрата по механика в университета на Илинойс отбеляза, че някои големи изследователски групи вече разглеждат новата концепция за създаването на чипове в вградена система за охлаждане.
Учените са създали силов електронен модул за преобразуване на променлив ток в постоянен. Експериментите с това устройство показаха, че топлинните потоци, превишаващи 1,7 киловата на квадратен сантиметър могат да бъдат охладени с използването на мощност за напомпване от едва 0,57 вата на квадратен сантиметър. Освен това, устройствата с новото капилярно охлаждане показаха много по-висока ефективност на преобразуването в сравнение с аналогично устройство с външно охлаждане. Основната причина е, че капилярното охлаждане, интегрирано в чипа изключва деградацията на полупроводника, предизвикана от неговото нагряване.
Новата технология може да бъде използвана във всички видове електроника – за охлаждане на компютърните чипове, в слънчевите панели, в електромобилите, където може значително да увеличи плътността на мощността. Голям е потенциалът на новата технология и в центровете за обработка на данни, които консумират огромни количества енергия, немалка част от която – около 30% се използва за охлаждане. Новите капилярни охладителни системи могат съществено да намалят консумацията на тази енергия.
Сега предстои по-подробното изучаване на целостта на тънкия GaN слой, за да се разбере колко време остава стабилен и да се направят съответните подобрения. И още, при първите експерименти е използвано само еднофазно охлаждане с вода, при което тя не става толкова гореща, че да се превърне в пара. При следващите изследвания ще се използва двуфазна течност, в която топлината се разсейва чрез изпаряване на течността.