Разделы

Наука

Будущее – за жидкостным охлаждением процессоров?

По мере того, как полупроводниковая промышленность движется по пути миниатюризации, современные способы охлаждения микроэлектроники оказываются все менее действенными. Сегодня многие чипы потребляют более сотни ватт, и, несмотря на охлаждение с помощью теплоотводящих радиаторов и вентиляторов, остудить их жар удается лишь отчасти.
На этой неделе сотни ученых и инженеров собрались в городе Санта-Фе (штат Нью-Мексико, США) - на конференции по охлаждающим устройствам для микроэлектроники "Thermes 2002" - чтобы рассмотреть целый пакет новых идей в области охлаждения, включая использование тонкопленочных холодильников, пьезоэлектрических вентиляторов, термоакустических насосов, а также систем жидкостного охлаждения.

К примеру, Али Шакури (Ali Shakouri) из Калифорнийского университета (г. Санта-Круз) работает над созданием микрохолодильников размером с пылинку, в которых охлаждение осуществляется не с помощью фреона, как в классических холодильниках, а посредством электронов, уносящих термическую энергию с горячих областей на поверхности чипа и рассеивающих ее в окружающем пространстве. Его группе удалось таким способом охладить поверхность микросхемы на 5 градусов Цельсия. Однако, чтобы такие компании, как Intel и Motorola, заинтересовались методикой г-н Шакури, этот показатель должен быть, по крайней мере, удвоен. "Чтобы повлиять на конструкторские решения, производителям микросхем требуется охлаждение не менее чем на 10-20 градусов, - признался он. - В настоящее время мы с помощью моделирования пытаемся понять, насколько далеко можно продвинуться. Теоретические расчеты показывают, что с имеющимися в нашем распоряжении материалами мы можем достичь охлаждения на 20-30 градусов".

Орест Симко (Orest Symko) из университета Юты разработал устройство, с помощью которого, по его словам, можно охладить микросхему на 10-20 градусов. Вместо электронов в его устройстве используется ультразвук. "Термоакустические насосы" (Thermoacoustic engines) исследуются учеными с XIX века, однако г-ну Симко удалось развить известную методику, сделав возможным ее использование в микроэлектронных устройствах.

Тепло передается к пластинам, расположенным внутри сделанных из органического материала труб, напоминающих органные. Группа г-на Симко сделала два прототипа подобных устройств - размером 4 и 1,5 сантиметра, которые в настоящее время проходят испытания. Более крупное из устройств при работе издает звук, который способно различить человеческое ухо. Меньший прибор работает на ультразвуковой частоте 21 кГц.

Г-ну Симко и его коллегам удалось также разработать метод, позволяющий конвертировать часть звуковой энергии обратно в электрическую. "На конференции мы планируем заявить, что правильность нашей концепции подтверждена практикой, - сказал г-н Симко. - В ближайшие полгода мы собираемся выйти на уровень, который позволит нам обратиться к потенциальным заказчикам и сказать: у нас есть то, что вам нужно".

Однако Кен Гудсон (Ken Goodson) из Стэнфорда продолжает скептически относиться к целесообразности охлаждения микрочипов с помощью термоакустических, термоэлектрических и пьезоэлектрических систем. Все эти системы объединяет то, что в их основе лежит идея передачи энергии по воздуху или электронам.

Дешевые кредиты и новые заводы: как развивать российскую электронику?
Импортозамещение

Диффузные газы могут рассеять часть энергии, однако сомнительно, чтобы они смогли отвести 200 ватт с одного квадратного сантиметра. Здесь, по словам г-н Гудсона, ничто не может сравниться в эффективности с жидкостным охлаждением. Единственная причина, по которой процессоры еще не охлаждаются на манер автомобильных - это технические сложности, связанные с необходимостью прокачки охлаждающей жидкости сквозь муфты размером с человеческий волос.

Предварительное тестирование системы водяного охлаждения компьютерного чипа, проведенное 20 лет назад, по словам г-на Гудсона, показало, что система позволяет отвести киловатт с одного квадратного сантиметра. Единственная причина, по которой это решение не использовалось в промышленности до сих пор, - отсутствие такой потребности.

Однако теперь, с развитием технологии микромашинных насосов, будущее - за жидкостным охлаждением, заявляют ученые.