Danas je toplina iz guste elektronike skup resurs. Kako bi sustav održavao odgovarajuću temperaturu za optimalne računalne performanse, rashladni sustav američkog podatkovnog centra troši toliko energije i vode kao i svi stanovnici Philadelphije. Sada, integriranjem kanala za hlađenje tekućine izravno u poluvodičke čipove, istraživači se nadaju da će smanjiti ovaj gubitak barem u energetskoj elektronici, učinivši ih manjima, jeftinijima i manje energetski intenzivnima.
Tradicionalno, elektronički uređaji i sustavi upravljanja toplinom dizajnirani su i proizvedeni odvojeno, kaže Elison Matioli, profesor elektrotehnike na ecole Polytechnique u Lausanni u Švicarskoj. To predstavlja temeljnu prepreku poboljšanoj učinkovitosti hlađenja jer toplina mora prijeći relativno velike udaljenosti po više materijala prije nego što se može ukloniti. U današnjim procesorima' na primjer, sifoni vrućeg materijala prenose toplinu iz čipa na glomazna, zračno hlađena bakrena peraja.
Za energetski učinkovitije rješenje, Matioli i njegovi 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.
No, za razliku od prethodno prijavljenih mikrofluidnih hlađenja, rekao je:" Elektroniku i sustav hlađenja projektiramo od početka." Dakle, mikrokanal se nalazi neposredno ispod aktivnog područja svakog tranzistorskog uređaja, gdje je na najvišoj temperaturi, što povećava performanse hlađenja za 50 puta. Oni su iznijeli svoj zajednički koncept dizajna u nedavnom izdanju Nature.
Istraživači su predložili tehnologiju hlađenja mikrokanala još 1981., a startupovi poput Cooligyja godinama slijede ideju o procesorima. No, 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 moderne 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.
Snažni elektronički krugovi upravljaju i pretvaraju električnu energiju i naširoko se koriste u računalima, podatkovnim centrima, solarnim panelima i električnim vozilima. Koristili su diskretne uređaje velike površine izrađene od poluvodiča širokog pojasa, poput galijevog nitrida. Gustoća snage ovih uređaja skočila je u posljednjih nekoliko godina, što znači da moraju biti" priključeni na divovski radijator," Rekao je Matoli.
U novije vrijeme moduli energetske elektronike prešli su na tekuće hlađenje, bilo putem hladnih ploča ili mikrokanalnih rashladnih sustava. No, do sada su svi mikrokanalni rashladni sustavi proizvedeni zasebno, a zatim su kombinirani s čipom. Vezni sloj dodaje otpornost na toplinu, kanali i oprema kruga nisu čvrsto poravnati.
& quot; Prešli smo na sljedeću razinu," Kaže Matoli, čineći uređaje i rashladne kanale u istom čipu. Utisnuli su pukotine široke mikrone u sloju galijevog nitrida premazanom na silicijevoj podlozi. Duljina proreza 30μm, duboka 115μm. Pomoću posebnih tehnika graviranja plinom proširuju se praznine u silicijskoj podlozi stvarajući kanale kroz koje prolazi tekuća rashladna tekućina.
Istraživači su zatim upotrijebili bakar za zatvaranje sićušnih otvora u slojevima galijevog nitrida i izgradnju uređaja na njima.&"Mi imamo samo mikrokanale u sićušnim područjima pločice koji su u kontaktu sa svakim tranzistorom, &" On je rekao. To čini tehnologiju mnogo učinkovitijom jer možemo izvući mnogo topline iz blizine, ali snaga crpljenja koju koristimo je vrlo mala."
Kao demonstraciju, istraživači su izgradili AC-DC ispravljački krug koji se sastoji od četiri Schottkyjeve diode, od kojih svaka može podnijeti 1,2 kV napona. Takvi krugovi obično zahtijevaju radijator veličine šake. Ali čip sklopa sa sustavom za hlađenje tekućinom postavljen je na tiskanu ploču veličine USB memorijskog pogona. Ploča se sastoji od tri sloja s kanalima urezanim za isporuku rashladne tekućine u čip.
Zaslon pokazuje da se vruće točke s gustoćom snage većom od 1.700 vata po kvadratnom centimetru mogu ohladiti pomoću samo 0,57 vata po kvadratnom centimetru snage crpljenja. To je 50 puta poboljšanje performansi u odnosu na prethodno prijavljeno hlađenje mikrofluidnog kanala.
& "Pouzdanost filmova galijevog nitrida i bakrenih brtvi treba proučavati tijekom vremena. No, ovo inovativno rješenje za hlađenje veliki je korak prema jeftinom, ultra kompaktnom i energetski učinkovitom sustavu hlađenja elektronike.