Los investigadores demuestran la refrigeración por agua en el chip

Imagen de un dispositivo metálico con múltiples capas de canales cortados.
Agrandar / Una jerarquía de canales mantiene el flujo de refrigerante sin requerir altas presiones.

Cuando los procesadores de escritorio cruzaban por primera vez el nivel de Gigahercios, durante un tiempo pareció que no había otro lugar adonde ir más que hacia arriba. Pero el progreso de la velocidad del reloj finalmente se detuvo, no por nada que ver con la velocidad en sí, sino más bien por los requisitos de energía y el calor que generaba toda esa energía. Incluso con los ventiladores ahora comunes y los disipadores de calor masivos, junto con un enfriamiento por agua esporádico, el calor sigue siendo un factor limitante que a menudo frena los procesadores actuales.

Parte del problema con las soluciones de refrigeración líquida es que están limitadas al tener que sacar el calor del chip y llevarlo al agua en primer lugar. Eso llevó a algunos investigadores a considerar pasar el líquido a través del propio chip. Ahora, algunos investigadores de Suiza han diseñado el chip y el sistema de enfriamiento como una sola unidad, con canales de líquido en el chip colocados junto a las partes más calientes del chip. Los resultados son un impulso impresionante en el rendimiento con limitación de calor.

Sintiendo el calor

Parte de nuestro problema con la extracción de calor de un chip es que generalmente involucra múltiples conexiones: desde el chip hasta el empaque del chip y el empaque del chip hasta un disipador de calor. Si bien se pueden tomar medidas para mejorar estas conexiones, hay una ineficiencia en ellas, lo que se suma para limitar el calor que podemos extraer del chip. Esto es cierto para los sistemas de refrigeración líquida en uso actual, que utilizan el líquido para reemplazar el disipador de calor metálico. Si bien podría ser posible colocar el chip directamente en un líquido conductor de calor, ese líquido tiene que ser un aislante y no sufrir reacciones químicas con los componentes electrónicos, ambos obstáculos que el agua no logra despejar.

Ha habido una serie de demostraciones de refrigeración líquida en chip. Por lo general, se trata de un sistema en el que un dispositivo con un conjunto de canales de líquido se fusiona en un chip y un sistema bombea fluido a través de él. Esto puede hacer que el chip se caliente, y las implementaciones iniciales han encontrado que hay una pequeña compensación: se necesita más energía para bombear el agua a través de estos canales de la que extrae del procesador. Esa energía no se usa en el sitio donde el calor es un problema, por lo que no interfiere con la disipación de calor, pero sí reduce la eficiencia energética del sistema.

La nueva investigación se basa en estas ideas para aumentar la eficiencia de los sistemas de enfriamiento en chip. Y los investigadores involucrados demuestran que funciona con un chip de conversión de energía que, de lo contrario, vería reducido el rendimiento por el calor.

Grabado de un sistema de enfriamiento

Los semiconductores utilizados para tareas de conversión de energía no suelen ser de silicio. En cambio, el nitruro de galio (GaN) es generalmente la elección, ya que maneja mejor la corriente y alcanza altas frecuencias. Sin embargo, para mantener la compatibilidad con los enfoques de fabricación existentes, la mayoría de los dispositivos GaN se construyen sobre una oblea de silicio, que simplemente proporciona soporte físico en lugar de contribuir a los circuitos. Para los investigadores, el silicio brindó una oportunidad: sabíamos cómo controlar su estructura a una escala extremadamente fina, que podría usarse para colocar canales de refrigerante justo contra la superficie de los circuitos de GaN.

El proceso de construcción es bastante elaborado. Inicialmente, se cortan ranuras extremadamente delgadas a través del GaN y en el silicio subyacente. Luego, se utiliza un proceso de grabado que solo afecta al silicio para ensancharlos en canales, con los espacios originales a través de la capa de GaN sellados con cobre, lo que mejora la conducción de calor al agua. Debajo de estos canales hay un conjunto de pasajes alternos que actúan como alimentadores y sumideros. El agua fría entra a través de una alimentación, circula hacia arriba a través del canal donde recoge calor y luego se extrae a través de un fregadero vecino.

Los investigadores organizan las cosas de modo que las partes más calientes de la porción de GaN del dispositivo se coloquen muy cerca de uno de los canales, lo que permite una extracción de calor más eficiente. Muchos de los artículos implican probar diferentes geometrías de elementos como el ancho y el espaciado del canal. En todo momento, los investigadores probaron la cantidad de energía requerida para forzar el paso del agua a través del sistema, lo que también impuso otra restricción a la geometría. El mejor diseño que encontraron es capaz de manejar flujos de calor de hasta 1.700 vatios por centímetro cuadrado y limitar el aumento de temperatura del chip a 60 ° C.

Un diagrama animado de cómo fluye el agua a través del sistema.

Para convertir esto en una investigación en un dispositivo utilizable, el equipo utilizó una gruesa capa adhesiva de doble cara y cortó los canales con un láser; luego, el chip se pegó sobre este adhesivo. Se bombeaba agua al adhesivo, desde el cual fluiría hacia el chip. Todo esto se empaquetó en una placa electrónica estándar, con ambos cables para conectarlo a fuentes de energía y válvulas que se usaron para alimentar el agua del sistema.

Con el sistema en funcionamiento, la temperatura aumentaría solo alrededor de un tercio de grado Celsius por cada Watt de potencia que manejara. Con un aumento de la tolerancia al calor de 60 ° C, esto significaba que el dispositivo podía extraer 176 vatios y requería un flujo de agua de menos de un mililitro por segundo. Además, al mantener el calor limitado, el circuito realizó su conversión de energía de manera más eficiente.

Próximos pasos

¿Qué tan grande podría ser esto? Los autores citan estimaciones de que alrededor del 30 por ciento del uso de energía de los centros de datos se destina al enfriamiento, y utilizan aproximadamente 100 mil millones de litros de agua al año. Si esta tecnología pudiera adoptarse en todos los chips, no solo en los convertidores de potencia, podría reducir la energía necesaria para enfriar a menos de un porcentaje de sus valores actuales.

Pero estamos muy lejos de eso. Por un lado, los investigadores eligieron algo que es extremadamente simple para probar su sistema y que les ayudó a diseñar un sistema de enfriamiento que se alineara con los puntos de acceso del chip. Cualquier cosa más complicada que eso, y organizar la alineación podría ser considerablemente más difícil. Esto es especialmente cierto para los procesadores de propósito general, donde las partes del chip que se ejercitan pueden cambiar según las cargas de trabajo. El sistema también deberá probarse para determinar su estabilidad a largo plazo, asegurando que su presencia no cause defectos estructurales y que la interacción del agua de alta temperatura con cobre, silicio y GaN no dé lugar a problemas imprevistos.

Finalmente, existe la necesidad potencial de integrar fuentes y sumideros para el agua, quizás múltiples (fuente de alimentación, GPU, procesador), todo a las presiones adecuadas. Así que estamos muy lejos de ver esto en cualquier hardware. Pero al menos es agradable ver una demostración de que el proceso se puede realizar de manera eficiente.

Naturaleza, 2020. DOI: 10.1038 / s41586-020-2666-1 (Acerca de los DOI).

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