Ученые разработали комбинированный метод охлаждения микрочипов, объединивший микроканальные и микроструйные технологии. Данный подход позволяет предотвратить перегрев и обеспечивает эффективное охлаждение даже высокопроизводительных процессоров. Опубликована статья, посвященная этому опубликована в журнале «Известия вузов. Физика» .
Вопрос эффективного отвода тепла в современных процессорах приобрел особую важность в связи с быстрым прогрессом технологий. Процессоры постоянно увеличивают свою мощность и уменьшаются в размерах, что приводит к выделению значительного количества тепла на ограниченной площади. По данным IRDS 2022, эксперты в сфере электронной промышленности прогнозируют, что к 2026 году тепловыделение возрастет еще на 35%, что подчеркивает необходимость разработки инновационных методов охлаждения для дальнейшего развития вычислительной техники.
Когда тепло концентрируется на небольшой площади и его интенсивность высока, температура повышается быстрее. Традиционные методы охлаждения, такие как вентиляционное обдувание, не справляются с отводом такой энергии, что приводит к перегреву устройства и его последующему выходу из строя. Именно поэтому в современной электронике приоритетной задачей является максимально эффективное охлаждение локализованных зон с высокой тепловой нагрузкой.
Сотрудники Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН разработали способ более эффективного охлаждения интегральных микросхем, работающих при высоких температурах, по сравнению с традиционным обдувом. Они создали гибридный теплообменник с водяным охлаждением, объединивший достоинства микроканального и струйного охлаждения. Вода, циркулирующая в микроканалах, не является проводником тока и расположена в герметичной медной пластине, плотно прилегающей к чипу, что гарантирует безопасность данной технологии. Кроме того, гидрофильное покрытие на стенках каналов исключает появление «сухих пятен» и способствует поддержанию равномерной, тонкой пленки для достижения максимальной эффективности охлаждения. Вода при этом не только циркулирует, но и активно испаряется, поглощая значительное количество тепловой энергии, поскольку для фазового перехода в пар требуется в 20 раз больше энергии, чем для обычного нагрева.
Микроканалы, находящиеся в стадии изучения, эффективно отводят тепло, однако при очень высоких тепловых потоках в них формируются паровые пробки и «сухие пятна», что приводит к возникновению кризиса кипения. В этой ситуации паровые пробки препятствуют движению жидкости, на стенках возникают сухие участки, и эффективность охлаждения значительно снижается, что вызывает неконтролируемый рост температуры процессора и, как следствие, выход чипа из строя.
«В системе, состоящей из параллельных идентичных каналов, по которым течет жидкость, наблюдается одинаковый перепад давления. Однако, если представить себе возникновение кипения – процесса, по своей природе случайного, с пузырьками, образующимися в различных точках неравномерно, – объем газового содержания в каждом канале в определенный момент времени будет отличаться. Поскольку эти значения различны, сопротивление каждого канала также не идентично, что приводит к тому, что через один канал начинает протекать больший объем жидкости, а через другой – меньший. Это вызывает неустойчивость потока», — объясняет старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН, кандидат физико-математических наук Алишер Сезгирович Шамирзаев.
Микроструи позволяют решить эту задачу: жидкость подается через специальные микроотверстия и формирует тонкие струи, которые направляются на поверхность для удаления пара и обеспечения постоянного контакта свежей жидкости с зонами перегрева. Таким образом, микроканалы обеспечивают энергоэффективное удаление тепла посредством кипения, а микроструи – локальное снижение перегрева и предотвращение возникновения кризиса.
Инновационные разработки специалистов ИТ СО РАН, в частности, применение микроканалов и микроструй для охлаждения процессоров и серверов, открывают для производителей возможность выпуска более производительных устройств, исключая риск их перегрева. Такие устройства получатся более компактными и потреблять меньше энергии по сравнению с текущими моделями, использующими громоздкие радиаторы и вентиляторы.
Материалы подготовлены Управлением СО РАН по пропаганде и популяризации научных разработок