محققان سیستم خنک‌کننده آبی درون‌تراشه‌ای معرفی کردند

زوميت/ سيستم خنک‌کننده‌ي جديدي براي تراشه‌هاي کامپيوتري پيشنهاد شده است که از جريان آب در داخل تراشه براي انتقال گرما استفاده مي‌کند.
   
از زماني‌که پردازنده‌هاي کامپيوتر روميزي  وارد محدوده‌ي توان گيگاهرتزي شدند، تصور عمومي بر اين بود که مسير پيشرفت و افزايش توان، ادامه‌دار و هميشگي خواهد بود. البته پس از مدتي پيشرفت توان و فرکانس‌ها متوقف شد. مشکل اصلي، خود افزايش سرعت پردازنده‌ها نبود، بلکه آن‌ها با چالش‌هايي همچون افزايش توان مصرفي و گرماي توليدشده بر اثر توان بيشتر، روبه‌رو شدند. حتي با وجود فن‌هاي پيشرفته و سيستم‌‌هاي خنک‌کننده‌ي بزرگ و هيت‌سينک‌هاي عظيم، گرما هنوز به‌عنوان مشکلي اساسي در توان مصرفي پردازنده  محسوب مي‌شود. حتي با وجود معرفي سيستم‌هايي همچون خنک‌کننده‌هاي آبي مخصوص پردازنده يا کل کيس، باز هم گرما مانع از قدرتمندتر شدن پردازنده‌ها مي‌شود.

يکي از محدوديت‌هاي اصلي استفاده از سيستم‌‌هاي خنک‌کننده‌ي آبي، فرايند انتقال گرما از خود تراشه به آب موجود در لوله‌هاي خنک‌کننده است. همين چالش باعث شد تا گروهي از محققان، جريان مستقيم آب در داخل تراشه را مدنظر قرار دهند. طبق تحقيقات جديد، محققان سوئيسي موفق به طراحي واحد يکپارچه‌اي شده‌اند که تراشه و سيستم خنک‌کننده‌ي آبي را درکنار يکديگر دارد. در سيستم جديد، کانال‌هاي مايع درکنار داغ‌ترين بخش‌هاي تراشه قرار مي‌گيرند. نتيجه‌ي آزمايش‌هاي اوليه نشان مي‌دهد که بهره‌وري انتقال گرما با سيستم جديد بسيار بهتر مي‌شود.
چالش اصلي در خارج‌کردن گرما از تراشه اين است که سيستم گرمايي اغلب اتصال‌هاي گوناگوني دارد. اتصال از خود تراشه به پکيجينگ و در ادامه از پکيجينگ به هيت‌سينک، سيستمي پيچيده را در پي دارد. افزايش اتصال‌ها منجر به کاهش بازدهي مي‌شود و در مجموع، امکان انتقال گرما با محدوديتي جدي روبه‌رو خواهد شد. سيستم‌‌هاي خنک‌کننده‌ي مايع کنوني، هنوز با چنين محدوديت‌هايي دست‌وپنجه نرم مي‌کنند. حتي آن سيستم‌هايي که از مايع به‌جاي هيت‌سينک فلزي استفاده مي‌کنند نيز با محدوديت‌هايي روبه‌رو هستند. ازطرفي اگرچه امکان قرار دادن تراشه در مايعي رساناي گرما وجود دارد، آن مايع بايد عايق باشد و همچنين هيچ‌گونه واکنش شيميايي با فطعات الکترونيکي مجاور انجام ندهد. مشخصاتي که هيچ‌يک از آن‌ها در آب ديده نمي‌شود.

---

بازار

---

تاکنون پيشنهادها و طرح‌هاي گوناگوني براي سيستم‌هاي خنک‌کننده‌ي مايع روي تراشه ارائه شده‌اند. اين سيستم‌‌ها اغلب شامل يک سيستم مجهز به دستگاهي با کانال‌هاي مايع مي‌شوند که به تراشه لحيم شده‌اند و يک سيستم ديگر، مايع را از ميان آن به جريان مي‌اندازد. چنين رويکردي توانايي استخراج گرما از تراشه را دارد و آزمايش‌هاي اوليه هم نقاط ضعفي نسبي را در آن گزارش کرده‌اند. براي پمپ کردن آب به کانال‌هاي مذکور، نياز به توان بيشتري نسبت به توان استخراجي از پردازنده دارد. البته توان مصرفي مذکور به گرماي کلي سيستم نمي‌افزايد، اما درنهايت منجر به کاهش بازدهي انرژي سيستم کلي مي‌شود.

تحقيقات جديد که بر اساس يافته‌ها و ايده‌هاي قبلي انجام شدند، متمرکز بر بهبود بازدهي سيستم‌هاي خنک‌کننده‌‌ي روي تراشه هستند. گروه محققان مي‌گويند سيستم جديد از تراشه‌اي با قدرت تبديل توان استفاده مي‌کند که کاهش عملکرد به‌خاطر گرما را تاحدي جبران خواهد کرد.

نيمه‌هادي‌هايي که در تحقيق اخير براي تبديل توان استفاده مي‌شوند، از جنس سيليکون نيستند. محققان ماده‌ي گاليم نيتريد را براي اين کاربرد پيشنهاد مي‌کنند؛ چون کنترل جريان بهتر و بازدهي بالاتري دارد. البته سيستم‌هاي ساخته‌شده با GaN براي هماهنگي با روش‌هاي توليد کنوني اغلب روي ويفرهاي سيليکوني نصب مي‌شوند. سيليکون در چنين سيستم‌هايي تنها نقش ماده‌ي فيزيکي پايه‌اي را برعهده دارد و هيچ عملکرد مداري از خود نشان نمي‌دهد. استفاده از سيليکون براي محققان يک مزيت داشت. آن‌ها مي‌گويند: «ما مي‌دانيم که چگونه مي‌توان در مقياس بسيار کوچک، ساختار ماده‌اي سيليکون را کنترل کرد. درنتيجه مي‌توان با بهره‌برداري از همين ساختار، کانال‌هاي خنک‌کننده را مستقيم در تماس با سطح مدار GaN نصب کرد».

فرايند ساخت پيشنهادي محققان، بسيار حرفه‌اي به‌نظر مي‌رسد. ابتدا شکاف‌هاي بسيار ريز از داخل GaN و سيليکون زيري بريده مي‌شوند. سپس يک فرايند اچ کردن انجام مي‌شود که تنها روي سيليکون تأثير مي‌گذارد و کانال‌ها 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 کانال‌ها، مسيرهاي متناوبي وجود دارند که به‌عنوان مسير تزريق آب و خروج استفاده مي‌شوند. آب خنک از مسير ورودي به سيستم وارد شده و پس از گذر از کانال‌ها و استخراج گرما، از بخش ديگر خارج مي‌شود.

طراحي سيستم به‌گونه‌اي انجام مي‌شود که لايه‌ي GaN در داغ‌ترين بخش‌ها در نزديک‌ترين فاصله نسبت به کانال‌هاي آبي قرار بگيرد. درنتيجه، بازدهي استخراج گرما بيشتر مي‌شود. بررسي‌هاي گوناگون تحقيقاتي، ابعاد و هندسه‌هاي متفاوت را براي کانال‌ها و بخش‌هاي ديگر طراحي، تحليل مي‌کنند. 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 يک سيستم ملموس از تحقيقات جديد، يک لايه‌ي چسبنده‌ي دوروي ضخيم را مورد آزمايش قرار دادند و کانال‌ها را با ليزر در آن ايجاد کردند. سپس تراشه به اين لايه‌ي چسبنده متصل شد. آب وارد لايه‌ي چسبنده شد که به سمت تراشه هدايت مي‌شد. کل سيستم به‌صورت يک پکيج در يک برد الکترونيکي استاندارد استفاده شد که 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 يک‌سوم درجه‌ي سانتي‌گراد افزايش پيدا مي‌کرد. در مجموع، دما در محدوده‌ي ۶۰ درجه‌ي سانتي‌گراد نگه داشته شد. درنتيجه دستگاه آزمايشي توان اجرايي ۱۷۶ وات را با جريان آبي کمتر از يک ميلي‌متر در ثانيه پيدا کرد. به‌علاوه، با محدود کردن گرما، فرايند تبديل توان نيز با بازدهي بسيار بيشتر رخ داد.

محققان مي‌‌گويند حدود ۳۰ درصد از مصرف انرژي ديتاسنترها صرف سيستم‌هاي خنک‌کننده مي‌شود و آن‌ها سالانه حدود ۱۰۰ ميليارد ليتر آب مصرف مي‌کنند. اگر اين فناوري را بتوان در همه‌ي تراشه‌ها (و نه‌تنها‌ مبدل‌هاي توان) استفاده کرد، مصرف انرژي براي خنک‌کنندگي به حدود يک درصد مصرف کنوني کاهش پيدا مي‌کند.

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 داغ‌تر GaN در آن دشواري خاصي نداشت. در ابعاد کوچک پردازنده‌ها که چالش تغيير مکان داغ را نيز بسته به فعاليت درحال انجام دارند، شرايط دشوارتر مي‌شود. همچنين پايداري سيستم هم بايد بررسي شود که در طولاني‌مدت روي ساختار مواد در تماس با آب، تغييري ايجاد نکند. همچنين سيستم تأمين و جريان آب هم براي چنين طراحي نياز به بررسي بيشتر دارد.

در کانال آي‌تي و ™CanaleIT هم کلي عکس و ويدئوي دسته اول و جذاب داريم