Применение технологии микроканального охлаждения чипов в решениях для жидкостного охлаждения
Жидкостное охлаждение — это будущее центров обработки данных. Воздух не может справиться с плотностью мощности, поступающей в зал обработки данных, поэтому в соединение течет плотная жидкость с высокой теплоемкостью. По мере увеличения тепловой плотности ИТ-оборудования жидкость становится ближе к нему. Но как далеко могут приблизиться жидкости? Широко принято эксплуатировать систему циркуляции воды через заднюю дверь шкафов дата-центра. Далее система продолжает циркулировать воду к холодной плате особенно горячих компонентов, таких как графические процессоры или процессоры. Кроме того, погружная система погружает всю стойку в диэлектрическую жидкость, поэтому охлаждающая жидкость может контактировать с каждой частью системы. Основные поставщики теперь предлагают серверы, оптимизированные для погружения.
В 1981 году исследователи Дэвид Такерман и РФ Пиз из Стэнфордского университета предложили выгравировать крошечные «микроканалы» на радиаторах для более эффективного отвода тепла. Маленькие каналы имеют большую площадь поверхности и могут более эффективно отводить тепло. Они предполагают, что радиаторы могут стать компонентом микросхем СБИС, а их демонстрация демонстрирует, что микроканальные радиаторы могут поддерживать впечатляющий тепловой поток в 800 Вт на квадратный метр.
С развитием производства полупроводников и их внедрением в трехмерные структуры идея интегрированного охлаждения и обработки стала более практичной. Начиная с 1980-х годов производители пытались накладывать несколько компонентов на кремниевые чипы. Создание каналов поверх многослойных кремниевых чипов может быть быстрым и оптимальным методом охлаждения, поскольку его можно начать с простого создания небольших канавок, похожих на ребра, на радиаторе. Но эта идея не получила особого внимания, поскольку поставщики микросхем надеются использовать 3D-технологию для компоновки активных компонентов. Этот метод теперь принят в памяти высокой плотности, и патенты Nvidia указывают, что он может быть предназначен для объединения графических процессоров.
Исследователи уже несколько лет работают над гравированием микрофлюидных каналов на поверхности кремниевых чипов. Команда из Технологического института Джорджии в сотрудничестве с Intel в 2015 году потенциально стала первой, кто изготовит чип FPGA со встроенным слоем микрофлюидного охлаждения, расположенным всего в нескольких сотнях микрометров от места работы транзистора на кремнии. «Мы устранили радиатор в верхней части кремниевого чипа, охладив жидкость всего в нескольких сотнях микрометров от транзистора», — сказал в пресс-релизе профессор Муханнад Бакир, руководитель группы Технологического института Джорджии. Мы считаем, что непосредственная и надежная интеграция микрофлюидного охлаждения в кремний станет революционной технологией для следующего поколения электронных продуктов.
Внутри чипа была спроектирована 3D-сеть каналов микрофлюидного охлаждения, расположенная всего на несколько микрометров ниже активной части каждого транзисторного устройства, откуда выделяется тепло. Этот метод может улучшить эффективность охлаждения в 50 раз. Микроканалы транспортируют жидкости непосредственно к горячим точкам и обеспечивают потрясающую плотность мощности — 1,7 кВт на квадратный сантиметр. Это эквивалентно 17 МВт на квадратный метр, что в несколько раз превышает текущий тепловой поток графического процессора.
Сложность отвода тепла означает, что самые большие сегодня чипы не могут использовать все транзисторы одновременно, иначе они перегреются. Применение микрофлюидики может улучшить производительность и эффективность чипов. Центры обработки данных могут работать более эффективно без необходимости использования энергоемких систем охлаждения.
