Парадокс: Колкото по-горещо, толкова по-хладно: японците откриха начин да превърнат прегряването на чиповете в предимство

Основният враг на чиповете се превръща в съюзник?

Специалисти от Института по индустриални науки към Токийския университет са създали уникална система за охлаждане на компютърните чипове. Разработката им, описана в списанието Cell Reports Physical Science, може да доведе до революция в електронната индустрия.

През последния половин век производителността на чиповете нарасна експоненциално благодарение на постоянното намаляване на размера на транзисторите – основните елементи на всеки процесор. Тази тенденция бе забелязана през 1965 г. от Гордън Мур, един от основателите на Intel, когато той забелязва, че броят на компонентите на един чип се удвоява на всеки две години. Впоследствие наблюденията му са използвани за формулиране на закона на Мур.

Днес обаче по-нататъшната миниатюризация се сблъсква с основна пречка: колкото по-плътно са разположени транзисторите, толкова повече енергия се отделя под формата на топлина на малка площ. Съществуващите технологии вече не могат да се справят с охлаждането на днешните процесори и това се превръща в основна пречка за създаването на по-мощни устройства.

Понастоящем инженерите разсейват излишната топлина с помощта на микроскопични канали, преминаващи във вътрешността на кристала. През тези тънки канали циркулира вода и когато влезе в контакт със загрятите части на чипа, отнема топлинната им енергия. Този процес се осъществява благодарение на основния закон на термодинамиката: топлината винаги се предава от по-топлото тяло към по-студеното, като се стреми към равномерно разпределение на енергията. Този метод обаче има сериозно ограничение: всяка водна молекула може да поеме само определено количество топлина, увеличавайки кинетичната си енергия, което се изразява в повишаване температурата на течността.

Японски изследователи откриха по-ефективно решение. Те обърнаха внимание на физично явление, познато на всички от врящия чайник: когато водата се превръща в пара, тя поглъща огромно количество енергия. Това е така, защото за водните молекули не е лесно да разкъсат водородните връзки помежду си и да преминат от течно в газообразно състояние. По време на този фазов преход течността поглъща около седем пъти повече топлина, отколкото когато просто да се нагрее до точката на кипене. Физиците наричат тази допълнителна енергия латентна топлина на изпарение.

Вече са правени опити за създаване на двуфазни системи за охлаждане, които използват както нагряването на течността, така и нейното изпаряване. Съществува обаче една важна уловка: как ефективно да се контролира потокът от мехурчета пара, получени при нагряването на течността. Тези мехурчета могат да се слеят в по-големи образувания, да нарушат циркулацията на хладилния агент и да намалят ефективността на топлопреноса. За да се постигне максимален топлообмен, беше необходимо да се намери идеалната конфигурация на няколко параметъра едновременно: размер на канала, дебит, налягане в системата и разпределение на температурата.

Специалистите от Токио разработиха сложен триизмерен дизайн: те комбинираха мрежа от микроканали със специална геометрия с капилярни структури, които спомагат за равномерното разпределение на течността благодарение на силите на повърхностно напрежение. Допълнителен разпределителен слой осигурява оптимално подаване на хладилен агент към всички елементи на системата.

Експериментите показаха, че ефективността на цялата структура зависи от два ключови елемента. Първият е формата и разположението на микроскопичните канали, през които се движи хладилният агент. Вторият е архитектурата на разпределителната система, която осигурява равномерен поток на течността.

Изграденият прототип демонстрира рекордна производителност. Съотношението между полезния охлаждащ ефект и консумираната енергия достигна стойност 105 – това кардинално надхвърля характеристиките на всички съществуващи аналози.

Особено ценна е възможността за автономна работа без допълнителни механизми. Процесът на топлообмен протича по естествен начин благодарение на конвекцията при фазовото преобразуване на течността. Този принцип позволява технологията да се прилага не само в областта на изчислителната техника, но и в други области.

Новият метод може да се използва в квантовите компютри, лазерните инсталации, светлинните детектори и радарните системи. Интерес към тази иновация проявяват и производителите на автомобили и аерокосмически апарати. Тъй като цифровите устройства с всяка изминала година стават все по-компактни и мощни, ефективното им охлаждане е от решаващо значение.

Учените отбелязват също така, че тяхното изобретение ще допринесе за развитието на технологии, щадящи околната среда. В края на краищата компетентното управление на генерирането на топлина доближава човечеството до важната цел – пълен отказ от източниците на въглеродни емисии.