La calor generada per l’electrònica, actualment te un costós consum de recursos. Per exemple, per mantenir els sistemes del centre de dades als Estats Units a la temperatura adequada amb un òptim rendiment computacional, el refredament consumeix tanta energia i aigua com tots els residents de la ciutat de Filadèlfia.
Però, si s'integren els canals líquids de refrigeració directament en els xips semiconductors, s'espera reduir aquestes pèrdues en consum almenys, en els dispositius electrònics de potència, fent-los més petits, més econòmics i amb menys consum d’energia.
Tradicionalment, l'electrònica i els sistemes de gestió de calor, es dissenyen i es fabriquen per separat. Això introdueix un obstacle fonamental per millorar l'eficiència de la refrigeració, ja que per eliminar la calor, s'ha de propagar a distàncies relativament llargues a través de múltiples materials. En els processadors actuals, els materials tèrmics difonen la calor del xip a un voluminós dissipador de coure refrigerat per aire.
Per obtenir una solució més eficient en energia, s'ha desenvolupat un procés 3D de baix cost per posar una xarxa de canals de refrigeració microfluídics directament en un xip semiconductor. Els líquids eliminen millor la calor que l’aire.
Però, a diferència de les tècniques de refredament microfluídic que es van informar anteriorment, diu, "dissenyem l'electrònica i el refredament junts des del principi". Així doncs, els microcanals es troben just a sota de la regió activa de cada dispositiu de transistors, on s’escalfa més, cosa que augmenta el rendiment de refrigeració en un factor de 50. Han informat el seu concepte de co-disseny a la revista Nature avui.
En el 1981, va ser proposat per primera vegada el refredament per microcanal, de manera que les startups com Cooligy, han perseguit aquesta idea pels processadors. Però la indústria dels semiconductors passa dels dispositius plans als 3D i cap a futurs xips amb arquitectures apilades multicapa, cosa que fa que els canals de refrigeració siguin poc pràctics. Aquest tipus de solució basat en la refrigeració incrustada no està pensada per a processadors ni xips moderns, com seria la CPU, en canvi, aquesta tecnologia de refrigeració adquireix sentit per a l’electrònica de potència.
Els circuits electrònics de potència gestionen i converteixen l’energia elèctrica i s’utilitzen àmpliament en ordinadors, centres de dades, plaques solars i vehicles elèctrics, entre altres coses. Utilitzen dispositius discrets d’àmplia superfície fabricats amb semiconductors de banda ampla com el nitrur de gal. La densitat de potència d’aquests dispositius dràsticament ha augmentat al llarg dels anys, cosa que significa que han d’estar “enganxats a un dissipador de calor.
Més recentment, els mòduls d’electrònica de potència, s’han convertit en refrigeració líquida mitjançant plaques fredes o sistemes de refrigeració de micro canal. Però, fina ara, tots els sistemes de refrigeració de microcanals s’han fabricat per separat i s’han unit al xip. La capa d’unió afegeix resistència a la calor i els canals de manera que, els dispositius no estan alineats a prop dels circuits.
Per crear un dispositiu amb els canals de refrigeració al mateix xip, cal gravar unes escletxes d'un micròmetre en una capa de nitrur de gal·li recoberta sobre un substrat de silici. Les escletxes tenen una longitud de 30 µm i una profunditat de 115 µm. Mitjançant una tècnica especial del gravat a gas, s'amplien les escletxes del substrat de silici per formar els canals a través dels quals es bomba el refrigerant líquid.
Després, es segellen les minúscules obertures de la capa de nitrur de gal·li amb coure. Per tant, només es tenen microcanals a la petita regió de la base en contacte amb cada transistor. Això fa que la tècnica sigui eficient perquè es pugui extreure molta calor a causa de la proximitat, però utilitzant molt poca força de bombament.
Com a demostració, es va realitzar un circuit rectificador de CA a CC compost per quatre díodes Schottky, cadascun amb capacitat per suportar 1,2 kV. Normalment, un circuit com aquest requeriria d'un dissipador de calor de gran mida. Però amb el sistema integrat de refrigeració líquida, el xip es troba en una placa de circuit imprès de la mida d'un USB, que està formada per tres capes i que té canals esculpits per subministrar refrigerant al xip.
Els punts calents amb densitats de potència superiors als 1.700 watts per centímetre quadrat, es poden refredar només amb una potència de bombament de 0,57 W/cm 2 . Això suposa un augment de 50 vegades en el rendiment en comparació amb el anteriors sistemes de refredament de canals microfluídics.
Font: IEEE spectrum.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada