211service.com
Kylchips med termoelektrik
Om du kunde ta bort lagren av kretsar i din dator och röra vid huvudprocessorn medan den kör en video, skulle du känna dess blåsande värme, som kan överstiga 100 °C. Sådan värme, en naturlig biprodukt av att överföra elektroner genom transistorer, kan försämra prestanda och till och med skada processorn i det långa loppet. Traditionellt har ingenjörer använt enkla kopparplattor för att dra bort värmen, och fläktar eller vätskebaserade kylsystem. Men dessa system är skrymmande och kan ta ut energi.
Chipkylning: Den termoelektriska kylaren som visas ovan (guld i mitten) är fäst på en kopparplatta som används för att sprida värme bort från heta fläckar på chips.
Nu har forskare vid Intel, RTI International i North Carolina och Arizona State University visat att det är möjligt att bygga ett effektivt mikrokylskåp som kan rikta in sig på hot spots på chips, spara ström och utrymme och mer effektivt kyla hela systemet. Deras arbete visar också, för första gången, att det är möjligt att integrera termoelektriskt material i chipförpackningar, vilket gör tekniken mer praktisk än någonsin tidigare. En artikel som beskriver forskningen publicerades just i Naturens nanoteknik .
Den grundläggande tekniken som används för att kyla chipet, en termoelektrisk kylare, är inte ny, förklarar Rama Venkatasubramanian , senior forskningschef vid Center for Solid State Energetics vid RTI International. I en Natur uppsats från 2001 visade han och hans team att ett material som kallas ett nanostrukturerat tunnfilmssupergitter har överlägsna termiska egenskaper jämfört med andra typer av tunna termoelektriska material: supergittret leder elektricitet bra men hindrar värmeflödet. När en elektrisk ström rinner genom materialet kan dess temperatur sjunka till cirka 55 °C.
Folk har pratat om att använda högeffektiva termoelektriska material för att kyla hot spots på chips i flera år, säger Intel-chefen Ravi Prasher. Han säger att en del av anledningen till att han och hans kollegor kunde lyckas är att de använde ett material som har visat exceptionella termiska egenskaper, och de förlitade sig på Intels kunskap om chipförpackningar för att bygga ett integrerat termoelektriskt system som konstruerats för att passa in i gränserna för ett chips hölje.
För att placera mikrokylskåpet i chipspaketet integrerade ingenjörerna kylaren på en fyrkant av koppar, precis som den typ som redan används i chipsförpackningar för att sprida värme. Vanligtvis är den här kopparbiten i nära kontakt med chipet, men forskarna placerar den 0,4 millimeter kvadratiska kylaren mellan chipet och kopparn. När mikrokylskåpet slogs på kylde det ett lokaliserat område på chipset med cirka 15 °C. Detta är signifikant, säger Venkatasubramanian, eftersom generellt sett, för varje fem graders ökning av chiptemperaturen, sker en markant minskning av tillförlitlighet och prestanda hos ett chip. I demonstrationen använde forskarna bara en mikrokylenhet men förutser att tre eller fyra per chip används för att täcka de hetaste områdena.
Prestandan var dock inte ens i närheten av den maximala mängden kylning som mikrokylskåpet klarar av när det inte är begränsat till chipshuset. Vi har hittat bra prestationer, säger Venkatasubramanian, men det finns fortfarande många utmaningar. När ingenjörer sätter kylaren inuti paketet finns det ytterligare ett antal kontaktpunkter där kylaren är kopplad till kopparplattan och förpackningselektronik, säger han. Prasher förklarar att de termiska egenskaperna hos dessa kontakter spelar en betydande roll för att minska kylarens effektivitet: I sig själv är [att minska motståndet hos termiska kontakter] ett betydande forskningsområde. Människor utforskar olika typer av lod och till och med kolnanorör för att minska motståndet vid gränssnittet, säger han, men problemet måste fortfarande lösas.
Oavsett, Ali Shakouri , en professor i elektroteknik vid University of California, Santa Cruz, är imponerad av arbetet så här långt. Det här är en bra prestation, säger han. Tanken [att] det finns en ojämn temperaturfördelning i en mikroprocessor, och att genom att selektivt kyla vissa platser kan du göra ett bättre jobb och spara ström, har funnits ett tag, men det hade inte visats på ett chip tidigare .
Shakouri noterar att när mikroprocessorindustrin går mot att använda flera kärnor eller bearbetningscentra på ett chip, kommer problemet med hot spots att förvärras, eftersom arbetsbelastningen flyttas från kärna till kärna, vilket skapar mer övergående hot spots. Fläktar, som används i många datorer idag, svarar inte snabbt eller effektivt. Om du selektivt kunde ha mikrokylskåp genom ett flerkärnigt chip, säger han, kan du sänka effekten och öka prestandan.
Forskarna har ingen tidslinje för kommersialisering. Just nu, även om kylaren skulle kunna integreras i traditionella chipförpackningar, skulle den fortfarande vara oöverkomligt dyr. När allt kommer omkring, säger Venkatasubramanian, är att lägga till en kylare i huvudsak att lägga till ett helt nytt lager av elektronik till ett chip. Han säger att om kostnaden och skalbarheten för dessa kylare kan hanteras, så är han övertygad om att de kommer att hitta en marknad.