Новая технология охлаждения электронных чипов от IBM

26 октября на конференции BroadGroup Power and Cooling Summit исследователи корпорации IBM представили новаторский подход к решению задачи охлаждения компьютерных чипов. Эта одна из самых важных задач, стоящих сегодня перед разработчиками, поскольку современные мощные процессоры выделяют все больше тепла, для отвода которого требуется дополнительный расход энергии.

Т.н. "интерфейсная технология высокой теплопроводности" (high thermal conductivity interface technology) позволяет вдвое повысить отвод тепла по сравнению с применяемыми сегодня методами. Новая технология готовит почву для создания новых электронных продуктов с более мощными чипами, для охлаждения которых не потребуются сложные и дорогие системы.

Поскольку производительность процессоров продолжает расти по закону Мура, создание эффективных систем охлаждения давно превратилось в одну из самых неприятных проблем, стоящих перед проектировщиками электронных продуктов. Представленная сегодня технология — одна из нескольких подобных методик, прорабатываемых учеными исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе.

"Электронные устройства могут делать удивительные вещи, и, прежде всего благодаря использованию все более мощных процессоров, — говорит Бруно Михель (Bruno Michel), руководитель подразделения Advanced Thermal Packaging при лаборатории IBM в Цюрихе. — Мы хотим обеспечить производителям электроники возможности для дальнейшего поступательного развития. Технология охлаждения чипов — это только один из имеющихся в нашем распоряжении инструментов для решения этой задачи".

Новая технология IBM работает на границе раздела между нагревающимся чипом и различными охлаждающими компонентами, используемыми сегодня для отвода тепла, включая тепловые радиаторы. В настоящее время в эту зону обычно помещаются специальные вязкие пасты с теплопроводящими микрочастицами. Эти пасты призваны гарантировать передачу надлежащего количества тепла от чипа к системе охлаждения. Для максимальной эффективности теплопередачи слой этой пасты должен иметь минимально возможную толщину. Для уменьшения толщины теплопроводящего слоя радиатор плотно прижимается к чипу. Однако при использовании обычных технологий этот подход может привести к повреждению или даже поломке чипа.

Специалисты IBM разработали для чипов специальную насадку, в которой с помощью сложных микротехнологий создана сеть разветвленных древовидных каналов. Структура этой сети спроектирована таким образом, что при приложении давления, термопаста распределяется намного равномернее, а удельное давление на всей поверхности чипа остается одинаковым. Это позволяет получить необходимую однородность контакта при почти в два раза меньшем давлении, при этом теплопередача через термоинтерфейс увеличивается в десять раз.

Эта уникальная и весьма мощная технология для охлаждения чипов позаимствована из области биологии. Сети иерархических каналов широко распространены в природных объектах, например — в листьях, в корнях, в кровеносной системе человека и т.д. Такие системы способны переносить большие объемы жидкости с очень малыми затратами энергии, что имеет огромное значение для организмов, размеры которых превышают несколько миллиметров. В оросительных системах древности также использовался подобный подход.

Демонстрационный прототип создан в рамках большого исследовательского проекта, проводимого научно-исследовательскими подразделениями IBM с целью улучшения характеристик систем охлаждения для вычислительных систем ближайшего и более отдаленного будущего. Проблемы с охлаждением, обусловленные нарастанием потребностей во все более мощных компьютерных компонентах, превратилась в одно из самых серьезных препятствий на пути общего повышения производительности вычислительных систем. Сегодняшние высокопроизводительные чипы уже имеют плотность рассеиваемой мощности на уровне 100 Вт на кв. см. — эта величина сопоставима с характеристиками типового нагревательного элемента электрической плиты. Вполне возможно, что завтрашние чипы будут иметь еще более высокие плотности рассеиваемой мощности, в результате чего температура на их поверхности при отсутствии охлаждения может повыситься до температуры поверхности Солнца (примерно 6000 градусов Цельсия). Применяемые сегодня технологии охлаждения, чаще всего основанные на применении вентиляторов для принудительного отвода воздуха через радиаторы с частым рядом пластин, фактически достигли предела своих возможностей для охлаждения нынешнего поколения электронных продуктов. Ситуация дополнительно ухудшается тем обстоятельством, что количество энергии, необходимой для охлаждения компьютерных систем, быстро приближается к количеству энергии, потребляемой непосредственно на вычисления, в результате чего общее энергопотребление вычислительных систем практически удваивается.

"Охлаждение — это глобальная проблема, затрагивающая как отдельные транзисторы, так и центры обработки данных в целом. Для преодоления проблем с энергопотреблением и охлаждением необходимы новые мощные технологии, действующие в максимально возможной близости от границы чипа, т.е. именно там, где охлаждение необходимо в первую очередь", — утверждает Михель.

В поисках новых решений за пределами возможностей систем воздушного охлаждения, исследователи лаборатории IBM в Цюрихе развили свою концепцию древовидных каналов и в настоящее время разрабатывают многообещающую новаторскую технологию водяного охлаждения. Т.н. "Технология прямого теплообмена ударной струей" (direct jet impingement) основана на доставке воды на поверхность охлаждаемого чипа с последующим обратным всасыванием. Эта полностью замкнутая система использует массив из примерно 50 тыс. крошечных сопел и сложную древовидную структуру для обратного сбора воды. Использование полностью замкнутой системы не позволяет хладагенту попадать на электронные элементы чипа. Более того, специалисты IBM смогли дополнительно повысить охлаждающую способность этой системы, обеспечив возможность ее применения непосредственно на поверхности чипа. Это позволяет отказаться от использования избыточных элементов в виде термоинтерфейсного слоя между системой охлаждения и самим чипом.

Первые лабораторные результаты производят сильное впечатление. Продемонстрированный прототип смог обеспечить плотность рассеиваемой мощности на уровне 370 Вт на кв. см. при использовании воды в качестве хладагента. Это более чем в шесть раз превышает предельный показатель сегодняшних технологий воздушного охлаждения, составляющий примерно 75 Вт на кв. см. Несмотря на высокую охлаждающую способность, новая технология потребляет намного меньше энергии на прокачку хладагента, чем другие системы охлаждения.