محققان سيستم خنك‌كننده آبي درون‌تراشه‌اي معرفي كردند
از زماني‌كه پردازنده‌هاي كامپيوتر روميزي وارد محدوده‌ي توان گيگاهرتزي شدند، تصور عمومي بر اين بود كه مسير پيشرفت و افزايش توان، ادامه‌دار و هميشگي خواهد بود. البته پس از مدتي پيشرفت توان و فركانس‌ها متوقف شد. اشكال اصلي، خود افزايش سرعت پردازنده‌ها نبود، بلكه آن‌ها با چالش‌هايي همچون افزايش توان مصرفي و گرماي توليدشده بر اثر توان بيشتر، روبه‌رو شدند. حتي با وجود فن‌هاي پيشرفته و سيستمهاي خنككنندهي بزرگ و هيت‌سينك‌هاي عظيم، گرما هنوز به‌عنوان اشكالي اساسي در توان مصرفي پردازنده محسوب مي‌شود. حتي با وجود معرفي سيستم‌هايي همچون خنك‌كننده‌هاي آبي مخصوص پردازنده يا كل كيس، باز هم گرما مانع از قدرتمندتر شدن پردازنده‌ها مي‌شود.
يكي از محدوديت‌هاي اصلي استفاده از سيستمهاي خنككنندهي آبي، فرايند انتقال گرما از خود تراشه به آب موجود در لوله‌هاي خنك‌كننده است. همين چالش باعث شد تا گروهي از محققان، جريان مستقيم آب در داخل تراشه را مدانديشه متخصصين قرار دهند. طبق تحقيقات جديد، محققان سوئيسي موفق به طراحي واحد يكپارچه‌اي شده‌اند كه تراشه و سيستم خنككنندهي آبي را دركنار يكديگر دارد. در سيستم جديد، كانال‌هاي مايع دركنار جديد‌ترين بخش‌هاي تراشه قرار مي‌گيرند. نتيجه‌ي آزمايش‌هاي اوليه نشان مي‌دهد كه بهره‌وري انتقال گرما با سيستم جديد بسيار بهتر مي‌شود.
انتقال گرما از بدنه‌ي تراشه به سيستم خنككنندهي مايع، هميشه چالشي بزرگ بوده است
چالش اصلي در خارج‌كردن گرما از تراشه اين است كه سيستم گرمايي اغلب اتصال‌هاي گوناگوني دارد. اتصال از خود تراشه به پكيجينگ و در ادامه از پكيجينگ به هيت‌سينك، سيستمي پيچيده را در پي دارد. افزايش اتصال‌ها منجر به كاهش بازدهي مي‌شود و در مجموع، امكان انتقال گرما با محدوديتي جدي روبه‌رو خواهد شد. سيستمهاي خنككنندهي مايع كنوني، هنوز با چنين محدوديت‌هايي دست‌وپنجه نرم مي‌كنند. حتي آن سيستم‌هايي كه از مايع به‌جاي هيت‌سينك فلزي استفاده مي‌كنند نيز با محدوديت‌هايي روبه‌رو هستند. ازطرفي اگرچه امكان قرار دادن تراشه در مايعي رساناي گرما وجود دارد، آن مايع بايد عايق باشد و همچنين هيچ‌گونه واكنش شيميايي با فطعات الكترونيكي مجاور انجام ندهد. مشخصاتي كه هيچ‌يك از آن‌ها در آب ديده نمي‌شود.
تاكنون پيشنهادها و طرح‌هاي گوناگوني براي سيستمهاي خنككنندهي مايع روي تراشه ارائه شده‌اند. اين سيستم‌‌ها اغلب شامل يك سيستم مجهز به دستگاهي با كانال‌هاي مايع مي‌شوند كه به تراشه لحيم شده‌اند و يك سيستم ديگر، مايع را از ميان آن به جريان مي‌اندازد. چنين رويكردي توانايي استخراج گرما از تراشه را دارد و آزمايش‌هاي اوليه هم نقاط ضعفي نسبي را در آن گزارش كرده‌اند. براي پمپ كردن آب به كانال‌هاي مذكور، نياز به توان بيشتري نسبت به توان استخراجي از پردازنده دارد. البته توان مصرفي مذكور به گرماي كلي سيستم نمي‌افزايد، اما درنهايت منجر به كاهش بازدهي انرژي سيستم كلي مي‌شود.
تحقيقات جديد كه بر اساس يافته‌ها و ايده‌هاي قبلي انجام شدند، متمركز بر بهبود بازدهي سيستمهاي خنككنندهي روي تراشه هستند. گروه محققان ميگويند سيستم جديد از تراشه‌اي با قدرت تبديل توان استفاده مي‌كند كه كاهش عملكرد به‌خاطر گرما را تاحدي جبران خواهد كرد.
نيمه‌هادي‌هايي كه در تحقيق اخير براي تبديل توان استفاده مي‌شوند، از جنس سيليكون نيستند. محققان ماده‌ي گاليم نيتريد را براي اين متخصصد پيشنهاد مي‌كنند؛ چون كنترل جريان بهتر و بازدهي بالاتري دارد. البته سيستمهاي ساخته‌شده با GaN براي هماهنگي با روش‌هاي توليد كنوني اغلب روي ويفرهاي سيليكوني نصب مي‌شوند. سيليكون در چنين سيستم‌هايي تنها نقش ماده‌ي فيزيكي پايه‌اي را برعهده دارد و هيچ عملكرد مداري از خود نشان نمي‌دهد. استفاده از سيليكون براي محققان يك مزيت داشت. آن‌ها ميگويند: «ما مي‌دانيم كه چگونه مي‌توان در مقياس بسيار كوچك، ساختار ماده‌اي سيليكون را كنترل كرد. درنتيجه مي‌توان با بهره‌برداري از همين ساختار، كانال‌هاي خنك‌كننده را مستقيم در تماس با سطح مدار GaN نصب كرد».
فرايند ساخت پيشنهادي محققان، بسيار حرفه‌اي به‌انديشه متخصصين مي‌رسد. ابتدا شكاف‌هاي بسيار ريز از داخل GaN و سيليكون زيري بريده مي‌شوند. سپس يك فرايند اچ كردن انجام مي‌شود كه تنها روي سيليكون تأثير مي‌گذارد و كانال‌ها را گسترش مي‌دهد. فواصل ايجادشده در لايه‌ي GaN نيز با مس پوشيده مي‌شوند تا انتقال گرما به آب، بهتر و سريع‌تر رخ دهد. در پايين اين كانال‌ها، مسيرهاي متناوبي وجود دارند كه به‌عنوان مسير تزريق آب و خروج استفاده مي‌شوند. آب خنك از مسير ورودي به سيستم وارد شده و پس از گذر از كانال‌ها و استخراج گرما، از بخش ديگر خارج مي‌شود.
طراحي سيستم به‌گونه‌اي انجام مي‌شود كه لايه‌ي GaN در جديد‌ترين بخش‌ها در نزديك‌ترين فاصله نسبت به كانال‌هاي آبي قرار بگيرد. درنتيجه، بازدهي استخراج گرما بيشتر مي‌شود. مطالعه‌هاي گوناگون تحقيقاتي، ابعاد و هندسه‌هاي متفاوت را براي كانال‌ها و بخش‌هاي ديگر طراحي، تحليل مي‌كنند. توان مصرفي براي به جريان انداختن آب در داخل سيستم هم بايد بهينه شود. بهترين هندسه‌ي مورد آزمايش، توانايي به جريان انداختن ۱،۷۰۰ وات در هر سانتي‌متر مربع را دارد و دماي تراشه را هم در حدود ۶۰ درجه‌ي سانتي‌گراد نگه مي‌دارد.
محققان براي نمايش يك سيستم ملموس از تحقيقات جديد، يك لايه‌ي چسبنده‌ي دوروي ضخيم را مورد آزمايش قرار دادند و كانال‌ها را با ليزر در آن ايجاد كردند. سپس تراشه به اين لايه‌ي چسبنده متصل شد. آب وارد لايه‌ي چسبنده شد كه به سمت تراشه هدايت مي‌شد. كل سيستم به‌صورت يك پكيج در يك برد الكترونيكي استاندارد استفاده شد كه مجهز به اتصال‌هاي مخصوص به منبع تغذيه و ورودي‌هاي آب نيز بود.
پس از راه‌اندازي سيستم آزمايشي، به ازاي هر وات توان اضافه، دماي سيستم تنهاي يك‌سوم درجه‌ي سانتي‌گراد افزايش پيدا مي‌كرد. در مجموع، دما در محدوده‌ي ۶۰ درجه‌ي سانتي‌گراد نگه داشته شد. درنتيجه دستگاه آزمايشي توان اجرايي ۱۷۶ وات را با جريان آبي كمتر از يك ميلي‌متر در ثانيه پيدا كرد. به‌علاوه، با محدود كردن گرما، فرايند تبديل توان نيز با بازدهي بسيار بيشتر رخ داد.
محققان ميگويند حدود ۳۰ درصد از مصرف انرژي ديتاسنترها صرف سيستمهاي خنك‌كننده مي‌شود و آن‌ها سالانه حدود ۱۰۰ ميليارد ليتر آب مصرف مي‌كنند. اگر اين فناوري را بتوان در همه‌ي تراشه‌ها (و نه‌تنها مبدل‌هاي توان) استفاده كرد، مصرف انرژي براي خنك‌كنندگي به حدود يك درصد مصرف كنوني كاهش پيدا مي‌كند.
مانند همه‌ي تحقيقات تئوري ديگر، هنوز راه زيادي تا عملي شدن نتيجه‌ي آزمايش‌ها در پيش داريم. سيستم آزمايشي محققان بسيار ساده بود و شناسايي مناطق جديد‌تر GaN در آن دشواري خاصي نداشت. در ابعاد كوچك پردازنده‌ها كه چالش تغيير مكان جديد را نيز بسته به فعاليت درحال انجام دارند، شرايط دشوارتر مي‌شود. همچنين پايداري سيستم هم بايد مطالعه شود كه در طولاني‌مدت روي ساختار مواد در تماس با آب، تغييري ايجاد نكند. همچنين سيستم تأمين و جريان آب هم براي چنين طراحي نياز به مطالعه بيشتر دارد.
هم انديشي ها