Воду для охолодження налили прямо в чіп

Швейцарські інженери інтегрували мікрофлюїдні охолоджувальні трубки всередину чіпа. Таке рішення дозволило відводити тепло приблизно в 50 разів ефективніше, ніж з використанням зовнішнього термоінтерфейсу. Потенційно ця технологія надасть можливість створювати мікроелектроніку, яка дозволить працювати з кіловаттними потужностями. Робота опублікована в.

Електронні пристрої нагріваються в процесі роботи, і, при інших рівних, чим вони потужніші, тим більше виділяється тепла. Це заважає зробити потужну електроніку більш мініатюрною, оскільки теплопровідність елемента прямо пропорційна площі його перерізу. Таким чином, чим мельче пристрій, тим менш великий термоінтерфейс в нього можна помістити - і, відповідно, його потужність також зменшується.

Між тим, обмеження теплопровідності матеріалів можна обійти, якщо зробити охолодження активним, наприклад, за допомогою рідини. Тут існують два шляхи: використовувати фазовий перехід (випаровування) або просто прокачувати охолоджувач. Плюс випари в тому, що воно не вимагає насосів. Схему можна зробити закритою, на зразок теплових трубок, або, як варіант, прилад може просто «потіти» водою, запасеною в губках.

Другий шлях - використовувати канали з циркулюючою рідиною - зручніше і простіше в застосуванні, оскільки трубки для однорідного потоку простіше виконати компактними. Крім того, ефективність охолодження в цьому випадку можна збільшити за допомогою потужного (за мірками мікроустроїв) насоса. Роботи в цьому напрямку ведуться пару десятиліть, і в лабораторних умовах підведення до чіпа системи мікротрубок показувало хороші результати.

Інженери з Федеральної політехнічної школи Лозанни під керівництвом Ремко ван Ерпа (Remco van Erp) експериментально підтвердили, що ефективність мікрофлюїдного охолодження можна сильно збільшити, якщо підводити його не до теплообмінника чіпа (на корпусі), а безпосередньо всередину, до гарячих деталей. Для цього система трубок повинна бути інтегральною частиною приладу, яку проектують і виготовляють разом з іншим.

Для демонстрації технології вчені виготовили експериментальний мініатюрний випрямник. В якості основного робочого матеріалу вибрали нітрид галію - напівпровідник, який перевершує кремній при високих потужностях. Під ним розташували кремнієву підкладку, яка не підключена до електронних схем, але основне нововведення було укладено саме в ній. У кремнії інженери протравили мережу канальців з виходами на поверхню, прямо до робочих гарячих зон. Щоб вода не витікала, канальці гальванічно запечатали заторами з міді.

Для охолодження в канальці налили дистильовану воду. В результаті система демонструвала рекордне теплвідведення: 1,7 кіловата на квадратний сантиметр при використанні помпи потужністю всього в півватта, з піковою дельтою температури в 50 градусів.

Це приблизно в 50 разів перевершує схеми, які покладаються на мікротрубки, що не заходять всередину чіпа. Експериментальна модель випрямлювача давала на виході електричну потужність 120 ватт, але вчені розраховують, що за цією технологією вдасться зробити прилади кіловаттного класу розміром з USB-флешку.

Оскільки зростання тепловиділення - істотний стримуючий фактор розвитку мікроелектроніки, компанії пробують різні, навіть зовні химерні способи тепловідведення. Наприклад, Intel випробувала охолодження процесора стрибаючими краплями.