211service.com
Chips koelen met een Ion Breeze
Elektroden die een stroom geïoniseerde lucht over het oppervlak van een siliciumchip sturen, kunnen de koelventilatoren in computers en laptops veel effectiever maken. Onderzoekers van Purdue University en Intel ontdekten dat een apparaat dat een ionische bries genereert, computerchips 25 C koeler houdt dan alleen ventilatoren. Door het gebruik van kleinere ventilatoren mogelijk te maken, zou het apparaat kunnen leiden tot compactere laptops.
Koel briesje: Infraroodbeelden van het oppervlak van een microchip tonen een van de twee elektroden die een verkoelende bries van geïoniseerde lucht genereren in een nieuw apparaat dat is ontwikkeld aan de Purdue University. In de bovenste afbeelding (rood) houden ventilatoren de oppervlaktetemperatuur van de chip op 60 ºC. In de onderste afbeelding (blauw) wordt door het activeren van de elektroden de temperatuur verlaagd naar 35 ºC.
Naarmate microchips steeds meer componenten bevatten, zullen de huidige koelmethoden niet langer voldoende zijn. Momenteel wordt warmte van chips weggetrokken door metalen koellichamen - panelen die zijn bevestigd aan reeksen vinnen of uitsteeksels die het warmteafvoerende oppervlak maximaliseren. De ventilatoren in een computer koelen de koellichamen en blazen de hete lucht uit. Maar luchtkoeling is tot het uiterste uitgerekt in zijn capaciteit voor warmteafvoer, zegt Suresh Garimella , een professor werktuigbouwkunde aan de Purdue. En bovendien kunnen ventilatoren omvangrijk en luidruchtig zijn.
Het nieuwe apparaat is klein en kan direct in een computerchip worden geïntegreerd. Door het op specifieke hotspots op een chip te plaatsen, konden ingenieurs de effectiviteit van de koelventilator in die gebieden verbeteren. Dit zou kunnen leiden tot kleinere fans die net zo goed werken als huidige fans, zegt Garimella, en dus tot dunnere, kleinere laptops. Het uiteindelijke doel is om koeltechnologieën te ontwikkelen voor kleine notebooks en draagbare computers, zegt Rajiv Mongia, een onderzoeksingenieur van Intel die met de Purdue-onderzoekers aan het nieuwe apparaat werkte.
Garimella en zijn collega's bouwden hun experimentele koelsysteem op een nagemaakte computerchip. Het systeem bestaat uit twee elektroden - een roestvrijstalen draad die fungeert als de positief geladen anode en een koperen band die als kathode dient - die enkele millimeters van elkaar zijn gescheiden.
Door een spanning over de elektroden aan te brengen, komen elektronen in de lucht in botsing met zuurstof- en stikstofmoleculen, waardoor ze van elektronen worden ontdaan en positief geladen ionen ontstaan. De ionen bewegen naar de negatief geladen kathode, slepen omringende luchtmoleculen mee en creëren een briesje. De onderzoekers ontdekten dat terwijl een ventilator die over een koellichaam blies, het oppervlak van hun chip afkoelde tot ongeveer 60 C, terwijl de toevoeging van de ionenbries het afkoelde tot 35 ºC.
Garimella zegt dat, omdat het apparaat stroken metaal als elektroden gebruikt, in tegenstelling tot scherpere punten, de ionenbries een groter deel van de chip veegt, hoewel het niet genoeg luchtdruk genereert om de chip te koelen zonder de hulp van een ventilator.
De ionenbries krijgt te maken met stevige concurrentie van andere experimentele technieken voor het koelen van chips. Computermakers zijn onlangs begonnen met het onderzoeken van vloeistofkoeling, waarbij een pomp water of een andere vloeistof door leidingen duwt. (De Mac Pro-computers van Apple gebruiken dit systeem.) Maar de meeste vloeistofkoelsystemen zijn ingewikkeld en verhogen de productiekosten; het Purdue-apparaat zou een goedkoper alternatief kunnen bieden. Onze uitvinding stelt ons in staat om de prestaties van luchtkoeling uit te breiden zonder te hoeven overschakelen naar agressievere en duurdere methoden zoals vloeistofkoeling, zegt Garimella. Tegelijkertijd voegen we geen extra volume toe.
Een benadering met een lager volume voor vloeistofkoeling kan echter komen uit: Cooligy , gevestigd in Mountain View, CA. Het bedrijf ontwikkelt een op microkanalen gebaseerde koeltechnologie onder licentie van Stanford University. De technologie is een kleinere, on-chip versie van de pump-and-pipe-methode voor het circuleren van vloeistoffen. In Cooligy's apparaat circuleert koelvloeistof door kleine kanaaltjes die zijn uitgehouwen in een siliciumlaag die bovenop een computerchip zit.
Girish Upadhya, directeur applicatie-engineering bij Cooligy, heeft voorzichtige lof voor ion-breeze-koeling, wat hij een unieke benadering noemt die specifieke toepassingen kan hebben bij spotkoeling. Maar hij vermoedt dat het Purdue-apparaat moeilijk kan worden ingebouwd in computerchips. Het moeilijkste is om met een dergelijke aanpak een specifiek product te bedenken, zegt Upadhya.
Intel, dat samenwerkte met de Purdue-onderzoekers, houdt zijn opties open. Het bedrijf heeft ook gewerkt aan een soortgelijke ionenpompbenadering met onderzoekers van de Universiteit van Washington in Seattle. (Zie Kleine pomp koelt chips .)
Maar Garimella is ervan overtuigd dat het Purdue-apparaat praktische toepassingen zal opleveren. De onderzoekers zullen het echter eerst kleiner en robuuster moeten maken. Het apparaat is op de millimeterschaal en we werken eraan om het terug te brengen tot de schaal van tientallen micrometers, zegt Garimella. Een kleiner apparaat, zegt hij, kan hetzelfde koeleffect bereiken met lagere spanningen. En dat, voegt hij eraan toe, zou de technologie commercieel levensvatbaar maken.