Жидкостные микросистемы охлаждения

Инженерам из Университета Пэрдью (Purdue University) удалось сконструировать новый тип охлаждающей системы для компьютерных чипов. Новое устройство основано в основном на достижениях в области микрожидкостных систем и МЭМС.

Рис. 4.11. Микрожидкостный холодильник на кремниевой вафле

Основой микрожидкостной системы охлаждения (рис. 4.11) стал разработанный учеными «микронасос», перекачивающий охладитель через систему тонких микрокапилляров, охватывающих чип, который надо охладить целиком.

Как говорит один из исследователей, Сареш Гэримелла (Suresh Garimella), эта инновация позволит охлаждать микропроцессоры будущего, которые будут рассеивать больше теплоты, чем современные. Также преимущество встроенного охлаждения состоит в том, что охлаждающие каналы могут пронизывать чип практически на всех уровнях, так что охлаждаться будут наиболее «жаркие» его регионы. Это позволит сократить энергопотребление систем охлаждения. Кроме того, данное охлаждение совершенно бесшумно, чего нельзя сказать о современных вентиляторах, издающих зачастую тем больше шума, чем больше мощности они рассеивают, т.е., грубо говоря, чем мощнее процессор.

Минимальный размер чипа, который можно охладить с помощью микрожидкостного МЭМС-кулера, — около 1 см2.

«Поскольку мы используем МЭМС-технологии при построении системы охлаждения, это позволяет нам очень просто интегрировать ее в современную электронику, — говорит Сареш. — И благодаря этому внедрение новой технологии не потребует сколь бы то ни было серьезных переделок в современном техническом процессе изготовления микрочипов».

Первое сообщение о достижениях Сареша и его команды появилось в журнале «Электронное охлаждение» (Electronics Cooling magazine).

«Наша цель — разработать настолько простую систему охлаждения, что она будет присутствовать в чипах будущего как неотъемлемая их часть, — говорит Сареш. — Я думаю, что это позволит создать новые типы более мощных микросхем и микропроцессоров».

Прототип чипа-охладителя состоит из ряда микроканалов, заполненных водой, диаметром всего около 100 мкм.

Каналы опутаны сложной системой электродов, одни из которых ионизируют воду-охладитель, а вторые — создают электромагнитное пульсирующее поле, заставляюшее ионизированную воду циркулировать внутри каналов.

Этот электропщродинамический эффект и является тем самым микромотором, который необходим для всех жидкостных систем охлаждения.

«Каждый шестой электрод получает такое же напряжение, как и первый, а между ними оно изменяется, создавая эффект пульсирующего электромагнитного поля, благодаря этому происходит охлаждение чипа», — говорит Сареш.

Однако одной гидроэлектродинамики для охлаждения недостаточно, поэтому ученые улучшили конструкцию охладителя, добавив к нему еще один микронасос. Этт насос представляет собой полоску пьезоэлектрика, который под действием электричества сокращается и распрямляется, ускоряя циркуляцию воды.

«Этот материал работает как диафрагма, выгибаясь то в одну сторону, то в другую, толкая воду. Благодаря применению альтернативного насоса нам удалось увеличить производительность охладителя на 13%. А расчеты, сделанные с помощью математического моделирования, показали, что, изменив конструкцию диафрагмы, мы сможем увеличить скорость протекания охладителя на сто процентов», — комментирует Сареш.

Для успешного внедрения охладителя в микроэлектронику следует еще доработать некоторые детали устройства, например рассчитать оптимальную конструкцию насосов обоих типов. Также ученые должны разработать простую и надежную систему наполнения каналов водой в чипе.

Но, как надеются ученые, эти трудности можно будет преодолеть и на микропроцессоры будущего уже не будет необходимости устанавливать шумные и громоздкие вентиляторы.