Vědci vyvíjí vodní chlazení přímo v křemíku. Z čipů odvede až 1000 W tepla na 1 cm²

Univerzitní výzkumné týmy často zkoumají nové materiály nebo technologie pro výrobu čipů a podobné „high-tech“ aspekty počítačové techniky. Možná by vás hned nenapadlo, že vedle těchto oborů se v akademické sféře bádá i v takové „banální“ oblasti, jako je chlazení počítačů. To totiž není jen zábavou počítačových fandů, řeší ho dokonce americká agentura DARPA, zastřešující výzkumné projekty pokročilých technologií včetně těch souvisejících s vojenským/obranným použitím. A v USA nyní financovala zajímavý výzkum chlazení čipů, který má umožnit koncentrovat do křemíku takový výkon, který by kdysi byl neuchladitelný.

Cílem výzkumů, které prováděla univerzita v Purdue, bylo vyvinout chlazení, jež by dokázalo uchladit čipy mající výdej tepla v řádu tisíců wattů. Uváděna je hustota tepla 1000 W na plochu jednoho centimetru čtverečního, což jsou hodnoty více než desetinásobné proti typickému PC procesoru (alespoň pokud mu tedy hodně extrémně nezvýšíte napětí). Výzkumníci tuto výzvu řešili kapalinovým chlazením, ovšem s jednou zásadní změnou: integrovali ho totiž přímo do samotného křemíku.

Podle výzkumníků je totiž při těchto požadavcích již příliš velkým limitem, pokud je čip kapalinou ochlazován sekundárně prostřednictvím pasivu nebo bloku – kontakt mezi čipem a pasivem je pak příliš velkou bariérou. Druhým problémem je, že tradičními postupy nebude možné chladit silně topící čipy, které by používaly vrstvenou konstrukci. Pasiv či vodní blok na vrchu vrstveného pouzdra totiž účinně ochlazuje jen vrchní čipy. Ty, které jsou ve vrstvách pod ním, už předávají přes čipy nad sebou teplo příliš pomalu a při vyšší spotřebě by v nich vznikla ohniska lokálního přehřívání, nebo by se vrstva přehřála rovnou celá.

15µm mikrokanálky pro kapalinu

Řešením univerzity Purdue (výzkum vedl profesor Suresh V. Garimella) je do vrchní strany každého čipu zapracovat ekvivalent vodního bloku a prohánět jím chladící médium. Realizováno je to tak, že se do křemíku vyhloubí mikrokanálky, kterými může proudit speciální kapalina (která se chová jako izolant, aby čip nepoškodila). Pro maximalizaci chladícího výkonu je ještě zvolena tak, aby se v kanálcích odpařovala, což zrychluje absorbci tepla z okolí (křemíku). Podobný efekt využívají i vapor chamber nebo heatpipe.

Mikrokanálky v horní straně křemíku pod mikroskopem

Realizace tohoto systému není tak jednoduchá, jak to zní. Mikrokanálky jsou skutečně mikroskopické, měly by mít průměr jen 15 mikrometrů. Ale zároveň jsou relativně hluboké, zasahují až 300 mikrometrů do čipu (přičemž se samozřejmě musí dát pozor, aby se „neprokopaly“ do aktivní části, která je na spodní straně křemíku). Při průmyslové aplikaci bude tedy potřebný postup, který bude schopen do čipu takto úzké zářezy vytvořit.

Chladící kapalina prochází vždy jen krátkými 250 µm dlouhými průchody

Profil kanálků je klíčem k tomu, aby pro předávání tepla byl dostupný co největší povrch, ale zase způsobuje, že nebude snadné jimi chladící médium protlačit. Výzkumníci proto kapalinu nenechávají proudit kanálky přes celou délku čipu. Místo toho vždy prochází délkou jen asi 250 mikrometrů. Je to zdá se realizováno tak, že ve vrstvě kryjící kanálky na vrchu čipu jsou vytvořeny nasávací a vypouštěcí otvory vzdálené od sebe jen těchto zhruba čtvrt milimetru (a zřejmě jich tedy musí být velké množství). To znamená, že rozvod chladící kapaliny to těchto chodbiček bude také hodně komplexní. Patrně by ho prováděl nějaký blok nasazený na vrch čipu, ale v momentě, kdy čip bude uvnitř „stacku“ z několika vrstev křemíku spojenými pomocí TSV, bude třeba najít nějaké jiné řešení. Na publikovaných snímcích je bohužel vidět jenom struktura mikrokanálků na čipu a pokusný exemplář z dálky, nikoliv to, jak vypadá celý zapojený chladící okruh.

Technologie pro superpočítače nebo radary

Původní projekt s cílem demonstrovat chlazení oněch 1000 W na 1 cm² byl podle tiskové zprávy završen, ale výzkum technologie dále pokračuje. Toto chlazení integrované přímo do čipu by jak už bylo řečeno mohlo být životně důležité pro vysoce výkoné čipy s 3D uspořádáním, pokud ho logické obvody jednou začnou používat. Možná aplikace budou u procesorů v superpočítačích, ale jmenovány jsou třeba i radiofrekvenční čipy pro výkonné vojenské radary – proto ta DARPA. Je jasné, že pokud budou čipy moci mít TDP v řádu tisíců wattů místo pár stovek, aniž by se přehřály, mohl by být výrazně navýšen jejich užitečný výkon. Naopak u běžného PC hardwaru se ale asi s takto pokročilou a pravděpodobně i výrobně drahou technologií moc brzo nesetkáme. I když kdo ví, někdy se rozšíří i na první pohled velmi komplikované technologie.