211service.com
Chips koelen met thermo-elektriciteit
Als je de schakelingen in je computer zou kunnen verwijderen en de hoofdprocessor zou aanraken terwijl er een video wordt uitgevoerd, zou je de verzengende hitte voelen, die wel 100 °C kan overschrijden. Dergelijke hitte, een natuurlijk bijproduct van het pendelen van elektronen door transistors, kan de prestaties belemmeren en op de lange termijn zelfs de processor beschadigen. Traditioneel hebben ingenieurs eenvoudige koperen platen gebruikt om de hitte weg te trekken, en ventilatoren of op vloeistof gebaseerde koelsystemen. Maar deze systemen zijn omvangrijk en kunnen energie verbruiken.
Chips koelen: De hierboven getoonde thermo-elektrische koeler (centraal gouden vierkant) is bevestigd aan een koperen plaat die wordt gebruikt om warmte weg te verspreiden van hotspots op chips.
Nu hebben onderzoekers van Intel, RTI International uit North Carolina en de Arizona State University aangetoond dat het mogelijk is om een efficiënte microkoelkast te bouwen die zich kan richten op hotspots op chips, waardoor energie en ruimte wordt bespaard en het hele systeem effectiever wordt gekoeld. Hun werk toont voor het eerst ook aan dat het mogelijk is om thermo-elektrisch materiaal te integreren in chipverpakkingen, waardoor de technologie praktischer is dan ooit tevoren. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, is zojuist gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .
De fundamentele technologie die wordt gebruikt om de chip te koelen, een thermo-elektrische koeler, is niet nieuw, legt uit Rama Venkatasubramanian , senior onderzoeksdirecteur bij het Center for Solid State Energetics bij RTI International. In een Natuur paper uit 2001, toonden hij en zijn team aan dat een materiaal dat een nanogestructureerde dunne-film superrooster wordt genoemd, superieure thermische eigenschappen heeft ten opzichte van andere soorten dunne thermo-elektrische materialen: het superrooster geleidt elektriciteit goed maar belemmert de warmtestroom. Wanneer een elektrische stroom door het materiaal ritselt, kan de temperatuur dalen tot ongeveer 55 °C.
Mensen praten al jaren over het gebruik van zeer efficiënte thermo-elektrische materialen voor het koelen van hotspots op chips, zegt Intel-manager Ravi Prasher. Hij zegt dat een deel van de reden waarom hij en zijn collega's erin slaagden, was omdat ze een materiaal gebruikten dat uitzonderlijke thermische eigenschappen heeft getoond, en ze vertrouwden op Intel's kennis van chipverpakkingen om een geïntegreerd thermo-elektrisch systeem te bouwen dat ontworpen was om te passen binnen de grenzen van de behuizing van een chip.
Om de microkoelkast in de chipverpakking te plaatsen, integreerden de ingenieurs de koeler op een vierkant van koper, net zoals het type dat al wordt gebruikt in chipverpakkingen om warmte af te voeren. Meestal staat dit stukje koper in nauw contact met de chip, maar de onderzoekers plaatsten de 0,4 millimeter vierkante koeler tussen de chip en het koper. Toen de microkoelkast werd aangezet, koelde deze een gelokaliseerd gebied op de chip met ongeveer 15 ° C af. Dit is significant, zegt Venkatasubramanian, omdat in het algemeen gesproken, voor elke vijf graden stijging van de chiptemperatuur, er een duidelijke afname is in betrouwbaarheid en prestatie van een chip. In de demonstratie gebruikten de onderzoekers slechts één microkoeleenheid, maar voorzien ze er drie of vier per chip te gebruiken om de heetste gebieden te bestrijken.
De prestaties kwamen echter niet eens in de buurt van de maximale hoeveelheid koeling waartoe de microkoelkast in staat is wanneer deze niet beperkt is tot de chipbehuizing. We hebben goede prestaties gevonden, zegt Venkatasubramanian, maar er zijn nog veel uitdagingen. Wanneer ingenieurs de koeler in de verpakking plaatsen, zijn er een aantal extra contactpunten waar de koeler is verbonden met de koperen plaat en de verpakkingselektronica, zegt hij. Prasher legt uit dat de thermische eigenschappen van deze contacten een belangrijke rol spelen bij het verminderen van de efficiëntie van de koeler: op zichzelf is [het verminderen van de weerstand van thermische contacten] een belangrijk onderzoeksgebied. Mensen onderzoeken verschillende soorten soldeer en zelfs koolstofnanobuisjes om de weerstand op de interface te verminderen, zegt hij, maar het probleem moet nog worden opgelost.
Achteloos, Ali Shakouri , een professor in elektrotechniek aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, is onder de indruk van het werk tot nu toe. Dat is een goede prestatie, vindt hij. Het idee [dat] er een ongelijke temperatuurverdeling is in een microprocessor, en dat je door selectief bepaalde locaties te koelen beter kunt werken en energie kunt besparen, bestaat al een tijdje, maar het was nog niet eerder op een chip gedemonstreerd .
Shakouri merkt op dat naarmate de microprocessorindustrie steeds meer gebruik maakt van meerdere cores of verwerkingscentra op een chip, het probleem van hotspots erger zal worden, omdat de werklast van core naar core wordt verschoven, waardoor er meer tijdelijke hotspots ontstaan. Fans, die tegenwoordig in veel computers worden gebruikt, reageren niet snel of effectief. Als je selectief microkoelkasten in een multicore-chip zou kunnen hebben, zou je het vermogen kunnen verlagen en de prestaties kunnen verhogen.
De onderzoekers hebben geen tijdlijn voor commercialisering. Op dit moment, ook al zou de koeler in traditionele chipverpakkingen kunnen worden verwerkt, zou het nog steeds onbetaalbaar zijn. Per slot van rekening, zegt Venkatasubramanian, is het toevoegen van een koeler in wezen het toevoegen van een volledig nieuwe laag elektronica aan een chip. Hij zegt dat als de kosten en schaalbaarheid van deze koelers kunnen worden aangepakt, hij er zeker van is dat ze een markt zullen vinden.