Aplikace Microchannel Chip Cooling Technology v kapalném chladicím roztoku

Kapalinové chlazení je budoucností datových center. Vzduch nezvládá hustotu výkonu, která se dostává do datového sálu, takže do připojení proudí hustá tekutina s vysokou tepelnou kapacitou. Jak se tepelná hustota IT zařízení zvyšuje, kapalina se k němu přibližuje. Ale jak daleko se mohou kapaliny přiblížit? Je široce přijímáno provozovat systém cirkulace vody zadními dveřmi skříní datových center. Dále systém udržuje cirkulaci vody na studenou desku na zvláště horkých součástech, jako jsou GPU nebo CPU. Ponorný systém navíc ponoří celý stojan do dielektrické kapaliny, takže chladicí kapalina může přijít do kontaktu s každou částí systému. Hlavní dodavatelé nyní nabízejí servery optimalizované pro imerzi.

V roce 1981 vědci David Tuckerman a RF Pease ze Stanfordské univerzity navrhli leptání malých „mikrokanálů“ do chladičů, aby účinněji odváděly teplo. Malé kanály mají větší povrch a mohou účinněji odvádět teplo. Naznačují, že chladiče se mohou stát součástí VLSI čipů a jejich demonstrace ukazuje, že mikrokanálové chladiče mohou podporovat působivý tepelný tok 800 W na metr čtvereční.

S rozvojem výroby polovodičů a jejich vstupem do trojrozměrných struktur se myšlenka integrovaného chlazení a zpracování stala praktičtější. Počínaje osmdesátými léty se výrobci pokoušeli překrýt více součástek na křemíkové čipy. Vytváření kanálků na vícevrstvých křemíkových čipech může být rychlou a optimální metodou chlazení, protože může začít jednoduchým zavedením malých drážek podobných žebrům na chladiči. Této myšlence se však nedostalo velké pozornosti, protože dodavatelé čipů doufají, že využijí 3D technologii ke stohování aktivních součástí. Tato metoda je nyní akceptována pamětí s vysokou hustotou a patenty Nvidie naznačují, že může být určena ke vrstvení GPU.

Výzkumníci pracují na leptání mikrofluidních kanálů na povrch křemíkových čipů již několik let. Tým z Georgia Institute of Technology spolupracoval s Intelem v roce 2015, aby byl potenciálně prvním, kdo vyrobil čip FPGA s integrovanou mikrofluidní chladicí vrstvou, umístěnou jen několik set mikrometrů od místa, kde tranzistor pracuje na křemíku. "Odstranili jsme chladič na horní straně křemíkového čipu ochlazením kapaliny jen několik set mikrometrů od tranzistoru," řekl profesor Muhannad Bakir, vedoucí týmu z Georgia Institute of Technology v tiskové zprávě. Věříme, že integrace mikrofluidního chlazení přímo a spolehlivě do křemíku se stane rušivou technologií pro další generaci elektronických produktů.

Uvnitř čipu byla navržena 3D síť mikrofluidních chladicích kanálů, která se nachází jen několik mikrometrů pod aktivní částí každého tranzistorového zařízení, odkud se generuje teplo. Tato metoda může zlepšit výkon chlazení až 50krát. Mikrokanály transportují tekutiny přímo do hotspotů a zvládají ohromující hustotu výkonu 1,7 kW na centimetr čtvereční. To odpovídá 17 MW na metr čtvereční, což je několikanásobek současného tepelného toku GPU.

Obtížnost odvodu tepla způsobuje, že největší čipy dnes nemohou využívat všechny tranzistory najednou, jinak se přehřívají. Použití mikrofluidiky může zlepšit výkon a účinnost čipu. Je možné provozovat datová centra efektivněji bez potřeby energeticky náročných chladicích systémů.