کاربرد فناوری خنک کننده تراشه میکروکانال در محلول خنک کننده مایع

خنک کننده مایع آینده مراکز داده است. هوا نمی تواند چگالی توانی را که به سالن داده می رسد تحمل کند، بنابراین یک سیال متراکم با ظرفیت حرارتی بالا در اتصال جریان دارد. با افزایش چگالی حرارتی تجهیزات فناوری اطلاعات، مایع به آن نزدیک‌تر می‌شود. اما مایعات تا کجا می توانند نزدیک شوند؟ به طور گسترده ای پذیرفته شده است که یک سیستم گردش آب را از طریق درب پشتی کابینت های مرکز داده راه اندازی کنید. در مرحله بعد، سیستم جریان آب را به برد سرد روی قطعات مخصوصا داغ مانند GPU یا CPU ادامه می دهد. علاوه بر این، سیستم غوطه وری کل قفسه را در سیال دی الکتریک فرو می برد، بنابراین مایع خنک کننده می تواند با هر قسمت از سیستم تماس پیدا کند. تامین کنندگان اصلی اکنون سرورهایی را ارائه می دهند که برای غوطه وری بهینه شده اند.

در سال 1981، محققانی به نام دیوید تاکرمن و RF Pease از دانشگاه استنفورد پیشنهاد کردند که "میکروکانال" های کوچک را در سینک های حرارتی برای حذف موثرتر گرما، حکاکی کنند. کانال های کوچک سطح بزرگ تری دارند و می توانند گرما را به طور موثرتری حذف کنند. آنها پیشنهاد می‌کنند که هیت سینک‌ها می‌توانند جزء تراشه‌های VLSI باشند، و نمایش آن‌ها نشان می‌دهد که سینک‌های حرارتی میکروکانالی می‌توانند شار حرارتی چشمگیر 800 وات در هر متر مربع را پشتیبانی کنند.

با توسعه ساخت نیمه هادی ها و ورود آن به ساختارهای سه بعدی، ایده خنک سازی و پردازش یکپارچه عملی تر شده است. از دهه 1980، تولیدکنندگان سعی کردند چندین جزء را روی تراشه های سیلیکونی قرار دهند. ایجاد کانال‌ها در بالای تراشه‌های سیلیکونی چندلایه ممکن است یک روش سریع و بهینه برای خنک‌سازی باشد، زیرا می‌تواند به سادگی با اجرای شیارهای کوچک مشابه باله‌ها بر روی یک هیت سینک شروع شود. اما این ایده چندان مورد توجه قرار نگرفته است زیرا تامین کنندگان تراشه امیدوارند از فناوری سه بعدی برای قرار دادن اجزای فعال استفاده کنند. این روش اکنون توسط حافظه با چگالی بالا پذیرفته شده است و پتنت های انویدیا نشان می دهد که ممکن است برای قرار دادن پردازنده های گرافیکی در نظر گرفته شده باشد.

محققان چندین سال است که روی حکاکی کانال‌های میکروسیال بر روی سطح تراشه‌های سیلیکونی کار می‌کنند. تیمی از موسسه فناوری جورجیا در سال 2015 با اینتل همکاری کرد تا به طور بالقوه اولین تراشه ای باشد که یک تراشه FPGA با یک لایه خنک کننده میکروسیال یکپارچه تولید می کند که تنها چند صد میکرومتر از محل کار ترانزیستور روی سیلیکون فاصله دارد. پروفسور Muhannad Bakir، سرپرست تیم در موسسه فناوری جورجیا، در بیانیه مطبوعاتی گفت: "ما با خنک کردن مایع در فاصله چند صد میکرومتری از ترانزیستور، هیت سینک بالای تراشه سیلیکونی را از بین بردیم." ما معتقدیم که ادغام خنک کننده میکروسیال به طور مستقیم و قابل اعتماد در سیلیکون به یک فناوری مخرب برای نسل بعدی محصولات الکترونیکی تبدیل خواهد شد.

یک شبکه سه بعدی از کانال های خنک کننده میکروسیال در داخل تراشه طراحی شده است که فقط چند میکرومتر زیر قسمت فعال هر دستگاه ترانزیستوری قرار دارد، جایی که گرما از آنجا تولید می شود. این روش می تواند عملکرد خنک کننده را تا 50 برابر بهبود بخشد. میکروکانال ها مایعات را مستقیماً به نقاط مهم انتقال می دهند و چگالی توان شگفت انگیز 1.7 کیلو وات بر سانتی متر مربع را اداره می کنند. این معادل 17 مگاوات در هر متر مربع است که چندین برابر شار حرارتی فعلی GPU است.

دشواری اتلاف گرما به این معنی است که بزرگترین تراشه های امروزی نمی توانند از همه ترانزیستورها به طور همزمان استفاده کنند، در غیر این صورت بیش از حد گرم می شوند. استفاده از میکروسیالات می تواند عملکرد و کارایی تراشه را بهبود بخشد. این امکان وجود دارد که مراکز داده را بدون نیاز به سیستم های تبرید انرژی بر کارآمدتر راه اندازی کنید.