Vodní chlazení přímo v čipu
PC chladiče za posledních deset let hodně pokročily. Ale „zlepšují“ se i čipy, které mají chladit – roste TDP, teploty zhoršuje pasta pod rozvaděčem. Dobrá zpráva je, že chlazení hodně hladových čipů je problém pro celý průmysl, a tak ho řeší i výzkumné týmy univerzit. Na té v Purdue teď vyvinuli hodně radikální novinku, která údajně dokáže uchladit i čip produkující teplo s hustotou až 1000 W na cm².
Výzkum týmu vedeného profesorem Sureshem V. Garimellou z Univerzity Purdue měl záměr vytvořit chlazení, které by bylo výrazně účinnější než konvenční. Klíčem k tomu by mělo být to, že se čip bude chladit úplně přímo, místo aby se chladil pasivní chladič nebo blok, který se čipu jen dotýká pomocí nějakého kontaktu (připájení, pasty). To podle výzkumníků limituje, jak rychle se z čipu dá teplo odvádět. Že předávání tepla z čipu do pasivu představuje bariéru, ostatně dobře víme i my.
Na Purdue proto navrhují předávat teplo chladícímu médiu (v tomto případě kapalině) rovnou na čipu, respektive v čipu. Realizováno je to pomocí mikrokanálků vybroušených přímo v povrchu křemíku, kterými cirkuluje kapalina z chladícího okruhu, a fungují tak jako kanálky ve vodním bloku. Ovšem v tomto případě jsou to kanálky skutečně mikroskopické, jejich šířka je jen 10 až 15 mikrometrů. Jejich hloubka je ale mnohem větší, až 300 mikrometrů. Tyto kanálky vedou těsně u sebe, takže na horní straně čipu (tranzistory a obvody jsou v běžném pouzdru zespodu) vznikne hustě žebrovaný pasiv.
Takto úzkými kanálky chladící kapalina neteče příliš ochotně, a tak není možné, aby šly po celé délce čipu, což by systém hodně zjednodušilo. Je nutné „cesty“ zkrátit tak, aby mezi výtokem a vtokem bylo třeba jen 250 mikrometrů. To zajišťuje mřížka, nanesená na povrch s vybroušenými kanálky, jak to můžete vidět na snímcích z mikroskopu. Na povrchu čipu by tak mělo být velké množství otvorů pro přítok a výtok kapaliny, což bude muset nějak vyřešit blok, který se na čip nasadí.
V okruhu se používá speciální kapalina, která nevede elektrický proud, mělo by jít o látku HFE-7100. V mikrokanálcích dochází k jejímu varu, což zvyšuje množství odebraného tepla. Právě i díky tomu je tento systém podle testování schopen odvést oněch 1000 W generovaného tepla z křemíkového čipu o ploše 1 cm² (pro srovnání: když chladíte Core i7-8700K, musíte odvést jen 100 až 200 W (po OC) z 1,5 cm²). Tento požadavek kladla na projekt agentura DARPA, která se podílela na financování. Potenciální aplikace technologie jsou totiž kromě superpočítačů třeba i v čipech pro vojenské radary.
Použití tohoto chlazení bude vyžadovat jemné rytí do hotových vyrobených čipů, komplikované bude ale hlavně nasazení onoho bloku řešícího přívod kapaliny do kanálků. Asi moc nehrozí, že bychom toto měli někdy v blízké budoucnosti v osobních počítačích. Je ale jedna oblast, kde by tato technologie mohla být nezbytná – ve vrstvených čipech. Při štosování křemíku totiž chladič nasazený na vrch pouzdra odvádí ze spodních vrstev mnohem méně tepla. Pokud by se tedy kromě pamětí měly začít štosovat i logické výpočetní obvody, bude asi podobný systém nezbytný, i když bude třeba dořešit, jak rozvést kanálky v prostoru mezi dvěma čipy sedícími na sobě.
- Contents
- Vodní chlazení přímo v čipu
S jakým průtokem ty kanálky operují? Protože ve vodních okruzích je průtok nějakých 100l/h, a pochybuju, že bude pumpa schopná tolik vody protlačit skrz takové pidi kanálky, které zvýší restriktivitu v okruhu několika násobně.
Podle abstraktu toho publikovaného článku mají údajně experimentální výsledky při průtoku 1300, 2100 a 2900 kg/m²s. Kolik je to v litrech na hodinu by záleželo od hustoty té kapaliny. Kolik je reálný průtok tím testovacím čipem (který by měl mít rozměry 5×5 mm), nevím, protože v abstraktu není uvede počet těch kanálků a profil. Ale logicky je ten kombinovaný průřez hodně hodně malý, takže v absolutních číslech při těch výše uvedených průtocích na 1 m² profilu to nebude moc velké číslo.
Jsem zvědavý, kam to DARPA dotáhne. Výzkum v této oblasti mě velice zajímá, protože by mohl jednou pro vždy vyřešit problémy s chlazením – máme dostupné radiátory schopné odvést přes 600W tepla (a to nemluvím o zapojení 2x radiátorů), ale nejsme schopni tam to teplo dopravit.
Tohle by neuvěřitelně zefektivnilo přenos a výměnu tepla, čímž by se razantně snížily teploty – mnohem vyšší životnost čipů, nižší spotřeba (za každých 10°C dolů klesne spotřeba o 4%), možnost mnooohem vyššího přetaktování.
Navíc DARPA není první kdo to zkouší, už před pár lety vyrobil výzkumný tým (myslím, že byl z Texas Instrument) fungující čip s použitím prakticky stejné technologie. Vážně doufám, že se tohoto jednou dočkáme i v desktopu.
Rozhodujúcim faktorom bude životnosť takéhoto systému. Ako bude reagovať chladiaca kvapalina s materiálom čipu časom, pretože potenciálnych využití sa určite nájde dosť, veď dokázať odviesť kilowatt tepla z jedného cm2 je skvelý výsledok, ale cena bude nesporne vysoká a pokiaľ chladenie degraduje za významne krátku dobu nenájde si príliš veľa komerčných zákazníkov. Je jasné, že sa nájdu odbory, kde sa to má vysokú šancu uplatniť aj pri pomerne vysokých nákladoch, typicky armáda že, ale rozhodujúci pre rozšírenie medzi bežným ľudom je stále pomer výkon/cena.
Náklady jsou diskutabilní. Teoreticky stačí při výrobě křemíku přidat jediný krok – vyleptání kanálků na druhé straně čipu. A pak při pouzdření nějak zařídit přívod a vývod kapaliny. V praxi to samozřejmě bude komplikovanější, ale hlavní věc, která bude navyšovat cenu, bude malý objem produkce – armáda takových čipů využije poměrně malé množství, k masové výrobě to bude mít dost daleko.
Životnost je velká otázka, a dost možná i kámen úrazu (jakákoliv nečistota v okruhu může kanálky zablokovat, voda může způsobit korozi, materiály v čipu můžou reagovat s materiály použitými v okruhu (všichni víme, jaký bordel udělá např. hliník v okruhu…)).
DARPA měla smlouvu na výrobu čipů u IBM. Když GF odkoupilo továrny IBM, ta smlouva přešla z IBM ke GF (pokud si dobře pamatuju). Pokud GF bude mít k dispozici proces s takovýmito možnostmi, razantně to zvýší konkurenceschopnost GF na trhu a otevře to vrátka této technologii na desktop.