محققان سیستم خنک‌کننده آبی درون‌تراشه‌ای معرفی کردند

به گزارش سرویس تازه های دنیای فناوری مجله تک تایمز ،

از زمانی‌که پردازنده‌های کامپیوتر رومیزی وارد محدوده‌ی توان گیگاهرتزی شدند، تصور عمومی بر این بود که مسیر پیشرفت و افزایش توان، ادامه‌دار و همیشگی خواهد بود. البته پس از مدتی پیشرفت توان و فرکانس‌ها متوقف شد. مشکل اصلی، خود افزایش سرعت پردازنده‌ها نبود، بلکه آن‌ها با چالش‌هایی همچون افزایش توان مصرفی و گرمای تولیدشده بر اثر توان بیشتر، روبه‌رو شدند. حتی با وجود فن‌های پیشرفته و سیستم‌‌های خنک‌کننده‌ی بزرگ و هیت‌سینک‌های عظیم، گرما هنوز به‌عنوان مشکلی اساسی در توان مصرفی پردازنده محسوب می‌شود. حتی با وجود معرفی سیستم‌هایی همچون خنک‌کننده‌های آبی مخصوص پردازنده یا کل کیس، باز هم گرما مانع از قدرتمندتر شدن پردازنده‌ها می‌شود.

یکی از محدودیت‌های اصلی استفاده از سیستم‌‌های خنک‌کننده‌ی آبی، فرایند انتقال گرما از خود تراشه به آب موجود در لوله‌های خنک‌کننده است. همین چالش باعث شد تا گروهی از محققان، جریان مستقیم آب در داخل تراشه را مدنظر قرار دهند. طبق تحقیقات جدید، محققان سوئیسی موفق به طراحی واحد یکپارچه‌ای شده‌اند که تراشه و سیستم خنک‌کننده‌ی آبی را درکنار یکدیگر دارد. در سیستم جدید، کانال‌های مایع درکنار داغ‌ترین بخش‌های تراشه قرار می‌گیرند. نتیجه‌ی آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که بهره‌وری انتقال گرما با سیستم جدید بسیار بهتر می‌شود.

انتقال گرما از بدنه‌ی تراشه به سیستم خنک‌کننده‌ی مایع، همیشه چالشی بزرگ بوده است

چالش اصلی در خارج‌کردن گرما از تراشه این است که سیستم گرمایی اغلب اتصال‌های گوناگونی دارد. اتصال از خود تراشه به پکیجینگ و در ادامه از پکیجینگ به هیت‌سینک، سیستمی پیچیده را در پی دارد. افزایش اتصال‌ها منجر به کاهش بازدهی می‌شود و در مجموع، امکان انتقال گرما با محدودیتی جدی روبه‌رو خواهد شد. سیستم‌‌های خنک‌کننده‌ی مایع کنونی، هنوز با چنین محدودیت‌هایی دست‌وپنجه نرم می‌کنند. حتی آن سیستم‌هایی که از مایع به‌جای هیت‌سینک فلزی استفاده می‌کنند نیز با محدودیت‌هایی روبه‌رو هستند. ازطرفی اگرچه امکان قرار دادن تراشه در مایعی رسانای گرما وجود دارد، آن مایع باید عایق باشد و همچنین هیچ‌گونه واکنش شیمیایی با فطعات الکترونیکی مجاور انجام ندهد. مشخصاتی که هیچ‌یک از آن‌ها در آب دیده نمی‌شود.

تاکنون پیشنهادها و طرح‌های گوناگونی برای سیستم‌های خنک‌کننده‌ی مایع روی تراشه ارائه شده‌اند. این سیستم‌‌ها اغلب شامل یک سیستم مجهز به دستگاهی با کانال‌های مایع می‌شوند که به تراشه لحیم شده‌اند و یک سیستم دیگر، مایع را از میان آن به جریان می‌اندازد. چنین رویکردی توانایی استخراج گرما از تراشه را دارد و آزمایش‌های اولیه هم نقاط ضعفی نسبی را در آن گزارش کرده‌اند. برای پمپ کردن آب به کانال‌های مذکور، نیاز به توان بیشتری نسبت به توان استخراجی از پردازنده دارد. البته توان مصرفی مذکور به گرمای کلی سیستم نمی‌افزاید، اما درنهایت منجر به کاهش بازدهی انرژی سیستم کلی می‌شود.

تحقیقات جدید که بر اساس یافته‌ها و ایده‌های قبلی انجام شدند، متمرکز بر بهبود بازدهی سیستم‌های خنک‌کننده‌‌ی روی تراشه هستند. گروه محققان می‌گویند سیستم جدید از تراشه‌ای با قدرت تبدیل توان استفاده می‌کند که کاهش عملکرد به‌خاطر گرما را تاحدی جبران خواهد کرد.

نیمه‌هادی‌هایی که در تحقیق اخیر برای تبدیل توان استفاده می‌شوند، از جنس سیلیکون نیستند. محققان ماده‌ی گالیم نیترید را برای این کاربرد پیشنهاد می‌کنند؛ چون کنترل جریان بهتر و بازدهی بالاتری دارد. البته سیستم‌های ساخته‌شده با GaN برای هماهنگی با روش‌های تولید کنونی اغلب روی ویفرهای سیلیکونی نصب می‌شوند. سیلیکون در چنین سیستم‌هایی تنها نقش ماده‌ی فیزیکی پایه‌ای را برعهده دارد و هیچ عملکرد مداری از خود نشان نمی‌دهد. استفاده از سیلیکون برای محققان یک مزیت داشت. آن‌ها می‌گویند: «ما می‌دانیم که چگونه می‌توان در مقیاس بسیار کوچک، ساختار ماده‌ای سیلیکون را کنترل کرد. درنتیجه می‌توان با بهره‌برداری از همین ساختار، کانال‌های خنک‌کننده را مستقیم در تماس با سطح مدار GaN نصب کرد».

فرایند ساخت پیشنهادی محققان، بسیار حرفه‌ای به‌نظر می‌رسد. ابتدا شکاف‌های بسیار ریز از داخل GaN و سیلیکون زیری بریده می‌شوند. سپس یک فرایند اچ کردن انجام می‌شود که تنها روی سیلیکون تأثیر می‌گذارد و کانال‌ها را گسترش می‌دهد. فواصل ایجادشده در لایه‌ی GaN نیز با مس پوشیده می‌شوند تا انتقال گرما به آب، بهتر و سریع‌تر رخ دهد. در پایین این کانال‌ها، مسیرهای متناوبی وجود دارند که به‌عنوان مسیر تزریق آب و خروج استفاده می‌شوند. آب خنک از مسیر ورودی به سیستم وارد شده و پس از گذر از کانال‌ها و استخراج گرما، از بخش دیگر خارج می‌شود.

طراحی سیستم به‌گونه‌ای انجام می‌شود که لایه‌ی GaN در داغ‌ترین بخش‌ها در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به کانال‌های آبی قرار بگیرد. درنتیجه، بازدهی استخراج گرما بیشتر می‌شود. بررسی‌های گوناگون تحقیقاتی، ابعاد و هندسه‌های متفاوت را برای کانال‌ها و بخش‌های دیگر طراحی، تحلیل می‌کنند. توان مصرفی برای به جریان انداختن آب در داخل سیستم هم باید بهینه شود. بهترین هندسه‌ی مورد آزمایش، توانایی به جریان انداختن ۱،۷۰۰ وات در هر سانتی‌متر مربع را دارد و دمای تراشه را هم در حدود ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نگه می‌دارد.

در ادامه بخوانید:

محققان برای نمایش یک سیستم ملموس از تحقیقات جدید، یک لایه‌ی چسبنده‌ی دوروی ضخیم را مورد آزمایش قرار دادند و کانال‌ها را با لیزر در آن ایجاد کردند. سپس تراشه به این لایه‌ی چسبنده متصل شد. آب وارد لایه‌ی چسبنده شد که به سمت تراشه هدایت می‌شد. کل سیستم به‌صورت یک پکیج در یک برد الکترونیکی استاندارد استفاده شد که مجهز به اتصال‌های مخصوص به منبع تغذیه و ورودی‌های آب نیز بود.

پس از راه‌اندازی سیستم آزمایشی، به ازای هر وات توان اضافه، دمای سیستم تنهای یک‌سوم درجه‌ی سانتی‌گراد افزایش پیدا می‌کرد. در مجموع، دما در محدوده‌ی ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نگه داشته شد. درنتیجه دستگاه آزمایشی توان اجرایی ۱۷۶ وات را با جریان آبی کمتر از یک میلی‌متر در ثانیه پیدا کرد. به‌علاوه، با محدود کردن گرما، فرایند تبدیل توان نیز با بازدهی بسیار بیشتر رخ داد.

محققان می‌‌گویند حدود ۳۰ درصد از مصرف انرژی دیتاسنترها صرف سیستم‌های خنک‌کننده می‌شود و آن‌ها سالانه حدود ۱۰۰ میلیارد لیتر آب مصرف می‌کنند. اگر این فناوری را بتوان در همه‌ی تراشه‌ها (و نه‌تنها‌ مبدل‌های توان) استفاده کرد، مصرف انرژی برای خنک‌کنندگی به حدود یک درصد مصرف کنونی کاهش پیدا می‌کند.

مانند همه‌ی تحقیقات تئوری دیگر، هنوز راه زیادی تا عملی شدن نتیجه‌ی آزمایش‌ها در پیش داریم. سیستم آزمایشی محققان بسیار ساده بود و شناسایی مناطق داغ‌تر GaN در آن دشواری خاصی نداشت. در ابعاد کوچک پردازنده‌ها که چالش تغییر مکان داغ را نیز بسته به فعالیت درحال انجام دارند، شرایط دشوارتر می‌شود. همچنین پایداری سیستم هم باید بررسی شود که در طولانی‌مدت روی ساختار مواد در تماس با آب، تغییری ایجاد نکند. همچنین سیستم تأمین و جریان آب هم برای چنین طراحی نیاز به بررسی بیشتر دارد.

بمنظور اطلاع از دیگر خبرها به صفحه اخبار فناوری مراجعه کنید.
منبع خبر

نوشته های مشابه

بستن