211service.com
Chipy chłodzące z termoelektryką
Gdybyś mógł usunąć warstwy obwodów w komputerze i dotknąć procesora głównego podczas odtwarzania wideo, poczułbyś jego piekące ciepło, które może przekroczyć 100 °C. Takie ciepło, naturalny produkt uboczny przemieszczania elektronów przez tranzystory, może w dłuższej perspektywie spowalniać wydajność, a nawet uszkodzić procesor. Tradycyjnie inżynierowie używali prostych płyt miedzianych do odprowadzania ciepła oraz wentylatorów lub systemów chłodzenia cieczą. Ale te systemy są nieporęczne i mogą wysysać energię.
Chłodzenie wiórów: Przedstawiona powyżej chłodnica termoelektryczna (w środku złoty kwadrat) jest przymocowana do miedzianej płytki, która służy do odprowadzania ciepła z gorących punktów na chipach.
Teraz naukowcy z Intela, RTI International z Północnej Karoliny i Arizona State University wykazali, że można zbudować wydajną mikrolodówkę, która może celować w gorące punkty na chipach, oszczędzając energię i przestrzeń oraz skuteczniej chłodząc cały system. Ich prace pokazują również po raz pierwszy, że możliwe jest zintegrowanie materiału termoelektrycznego z opakowaniem chipów, dzięki czemu technologia jest bardziej praktyczna niż kiedykolwiek wcześniej. Artykuł opisujący badania został właśnie opublikowany w Natura Nanotechnologia .
Podstawowa technologia używana do chłodzenia chipa, termoelektryczna chłodnica, nie jest nowa, wyjaśnia Rama Venkatasubramanian , starszy dyrektor ds. badań w Center for Solid State Energetics w RTI International. W Natura W artykule z 2001 r. on i jego zespół wykazał, że materiał zwany nanostrukturalną cienkowarstwową supersiecią ma lepsze właściwości termiczne niż inne rodzaje cienkich materiałów termoelektrycznych: supersieć dobrze przewodzi elektryczność, ale utrudnia przepływ ciepła. Gdy przez materiał przepływa prąd elektryczny, jego temperatura może spaść do około 55 °C.
Ludzie od lat mówią o użyciu wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych do chłodzenia gorących punktów na chipach, mówi menedżer Intela Ravi Prasher. Mówi, że jednym z powodów, dla których on i jego koledzy byli w stanie odnieść sukces, było to, że użyli materiału, który wykazał wyjątkowe właściwości termiczne, i polegali na wiedzy Intela na temat pakowania chipów, aby zbudować zintegrowany system termoelektryczny, który został zaprojektowany tak, aby pasował do granice obudowy chipa.
Aby umieścić mikrolodówkę w opakowaniu chipów, inżynierowie umieścili chłodnicę na kwadracie miedzi, podobnie jak typ, który jest już używany w opakowaniach chipów do rozpraszania ciepła. Zwykle ten kawałek miedzi jest w bliskim kontakcie z chipem, ale naukowcy umieścili 0,4-milimetrową chłodnicę między chipem a miedzią. Gdy mikrolodówka była włączona, chłodziła zlokalizowany obszar na chipie o około 15°C. To znaczące, mówi Venkatasubramanian, ponieważ ogólnie rzecz biorąc, każdy pięciostopniowy wzrost temperatury chipa powoduje wyraźny spadek niezawodności i wydajności chipa. Podczas demonstracji naukowcy wykorzystali tylko jedną jednostkę mikroschładzającą, ale przewidują użycie trzech lub czterech na chip, aby pokryć najgorętsze obszary.
Jednak wydajność nie była nawet zbliżona do maksymalnej wydajności chłodzenia, do jakiej jest zdolna mikrolodówka, gdy nie jest ograniczona do obudowy chipa. Znaleźliśmy dobrą wydajność, mówi Venkatasubramanian, ale wciąż jest wiele wyzwań. Kiedy inżynierowie umieszczają chłodnicę w opakowaniu, istnieje kilka dodatkowych punktów styku, w których chłodnica jest połączona z miedzianą płytą i elektroniką opakowania, mówi. Prasher wyjaśnia, że właściwości termiczne tych styków odgrywają znaczącą rolę w zmniejszaniu wydajności chłodnicy: Samo w sobie [zmniejszanie rezystancji styków termicznych] jest ważnym obszarem badań. Mówi się, że ludzie badają różne rodzaje lutów, a nawet nanorurki węglowe, aby zmniejszyć opór na styku, ale problem wciąż nie został rozwiązany.
Bez względu, Ali Shakouri , profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, jest pod wrażeniem dotychczasowej pracy. To dobre osiągnięcie, mówi. Pomysł, że w mikroprocesorze występuje nierównomierny rozkład temperatury i że dzięki selektywnemu chłodzeniu niektórych miejsc można wykonać lepszą pracę i oszczędzać energię, istniał już od jakiegoś czasu, ale nie został wcześniej zademonstrowany na chipie .
Shakouri zauważa, że w miarę jak branża mikroprocesorowa zmierza w kierunku korzystania z wielu rdzeni lub centrów przetwarzania na chipie, problem gorących punktów będzie się pogłębiał, ponieważ obciążenia są przenoszone z rdzenia na rdzeń, tworząc więcej przejściowych hot spotów. Wentylatory używane obecnie w wielu komputerach nie reagują szybko ani skutecznie. Mówi, że gdyby można było selektywnie umieszczać mikrolodówki w całym wielordzeniowym chipie, można by obniżyć moc i zwiększyć wydajność.
Naukowcy nie mają harmonogramu komercjalizacji. W tej chwili, mimo że chłodnicę można by włączyć do tradycyjnego opakowania chipów, nadal byłaby zbyt droga. W końcu, mówi Venkatasubramanian, dodanie chłodnicy jest zasadniczo dodaniem zupełnie nowej warstwy elektroniki do chipa. Twierdzi, że jeśli uda się rozwiązać problem kosztów i skalowalności tych lodówek, jest przekonany, że znajdą rynek.