Изображение микросхемы с новой интегрированной микрофлюидной системой охлаждения, разработанной исследователями из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне.

По мере того, как электроника становится все меньше и плотнее, она также становится все горячее. Кремниевые чипы работают не лучшим образом при высоких температурах, поэтому борьба с постоянно растущим количеством тепла, которое выделяют миллиарды и даже десятки миллиардов транзисторов, является серьезной и все более актуальной технологической задачей.

Подписаться на iGuides в Telegram, чтобы узнать обо всем первым — t.me/iguides

Существуют различные способы охлаждения кремниевых чипов, от простых радиаторов с вентиляторным охлаждением до более сложных систем жидкостного охлаждения. Одна из последних включает в себя оснащение полупроводниковых чипов крошечным устройством, через которое проходят микроканалы для переноса жидкости, отводящей тепло. Эти каналы должны быть как можно меньше, чтобы на одном кристалле их могло поместиться как можно больше. Но чем меньше размеры каналов, тем большее давление требуется для протекания по ним жидкости, а создание такого давления может потребовать много энергии.

Теперь ученые из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL) говорят, что они разработали новую технологию, чтобы сделать такие системы более энергоэффективными. В их новом подходе микроканальная сеть, архитектурный дизайн которой был вдохновлен человеческой кровеносной системой, была построена внутри самого полупроводника, а не присоединена к нему впоследствии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Элисон Матиоли, профессор кафедры электротехники в EPFL, и его коллеги использовали чип, состоящий из тонкого слоя полупроводникового материала, называемого нитридом галлия, или GaN, нанесенного поверх более толстой кремниевой подложки. В обычном чипе эта подложка просто поддерживает структурную целостность слоя GaN. Но в новой системе микроканалы вырезаны внутри подложки и расположены так, чтобы точно соответствовать тем частям чипа, которые имеют тенденцию нагреваться больше всего.


Новая микроканальная система охлаждения.

Чтобы решить проблему высокого потребления энергии, необходимой для прокачки воды или другой охлаждающей жидкости через крошечные каналы, исследователи разработали распределительную сеть, состоящую из широких каналов, которые сужаются только в тех местах, где концентрируется тепло. Такое расположение резко уменьшает общее количество необходимой энергии для работы системы.

«Это похоже на кровеносную систему человека, которая состоит из крупных кровеносных сосудов, которые становятся тоньше, превращаясь в капилляры, в определенных областях тела», — говорит Матиоли. Эксперименты, некоторые из которых пришлось провести в лаборатории, построенной в квартире одного исследователя после того, как пандемия COVID-19 закрыла объекты Института электротехники, показали, что коэффициент полезного действия новой системы (который измеряет ее эффективность) в 50 раз выше, чем у другой схожей технологии охлаждения, которая использует микроканалы одинаковой ширины и не интегрирована в полупроводник.

«Главным прорывом такого подхода является инновационный метод изготовления, который объединяет электронные и охлаждающие структуры в едином производственном процессе», — говорит Тивэй Вэй, один из рецензентов статьи и научный сотрудник Межвузовского центра микроэлектроники в Бельгии. Он добавляет, что такая интеграция помогает приблизить микроканалы к конкретным сильно нагретым областям чипа, обеспечивая более эффективное охлаждение.

«Это важное исследование, потому что оно устраняет разрыв между двумя сообществами: сообществами силовой электроники и сообществами охлаждения электроники. В настоящее время большинство исследований рассматривают их отдельно», — говорит Сяньмин Дай, доцент кафедры машиностроения Техасского университета в Далласе, не принимавший участия в исследовании.


Принцип работы капиллярной системы охлаждения.

Тепловая инженерия при разработке нового вычислительного устройства, как правило, остается в стороне и рассматривается только после того, как электрическая система оказывается полностью спроектированной. Но Уильям Кинг, профессор и заведующий кафедры механики в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейн, отмечает, что некоторые исследовательские группы начали рассматривать концепцию совместной разработки электроники и решений для ее охлаждения. «Эта статья демонстрирует важный вклад, который действительно показывает, что это возможно», — говорит Кинг, который также не участвовал в создании новой статьи.

Одним из ограничений исследования, по словам Вэя, является то, что он применил инновационную систему охлаждения к относительно простому тестовому случаю. «Будущее направление развития будет заключаться в применении этой концепции к современной развитой микроэлектронике», — говорит он, добавляя, что у него также есть вопросы по структурной целостности тонкого слоя GaN поверх микроканалов. «Меня беспокоит то, что в долгосрочной перспективе жидкость, проходящая через каналы под чипом, может привести к проблемам, которые могут повлиять на работоспособность устройства».

Кинг говорит, что следующие шаги в этом исследовании должны заключаться в том, чтобы показать, как можно использовать микрофлюидные охлаждающие каналы в других материалах, а также исследовать возможности по использованию более совершенных трехмерных моделей систем капилляров. «По мере того, как эта концепция созревает», — говорит он, «я полагаю, что проекты такого рода будут все больше и больше походить на капиллярную сеть из человеческой кровеносной системы, где большие каналы соединяются с маленькими каналами в разветвленной архитектуре».

Кинг отмечает, что управление температурным режимом является серьезным ограничением для всех типов электроники, особенно силовых электронных устройств, таких как те, которые используются в гибридных и электрических транспортных средствах, электросетях и коммуникациях.



«В принципе, эта технология может быть использована во всех типах электроники: например, для охлаждения компьютерных чипов или в таких приложениях, как солнечные батареи или электромобили, которые могут иметь высокую плотность мощности», — говорит Матиоли. Он добавляет, что это вряд ли предложит практическое решение для всей существующей электроники, хотя бы потому, что в некоторых устройствах было бы нежелательно иметь жидкость, циркулирующую внутри электронных частей.

Матиоли видит большой потенциал для этой технологии в центрах обработки данных, которые потребляют огромное количество энергии, немалая часть которой идет в системы охлаждения. Вместе все центры обработки данных в одних только Соединенных Штатах потребляют количество электроэнергии и воды, сравнимое с жилищными потребностями такого города, как Филадельфия, говорит он. В среднем 30 процентов энергии, используемой центрами обработки данных, уходит на охлаждение. В документе его группы утверждается, что эти расходы потенциально могут значительно сократиться при переходе на новые капиллярные системы охлаждения.