Ngày nay, nhiệt lượng tỏa ra từ các thiết bị điện tử dày đặc là một nguồn tiêu thụ tài nguyên đắt đỏ. Để giữ cho hệ thống ở nhiệt độ thích hợp cho hiệu suất tính toán tối ưu, hệ thống làm mát ở Hoa Kỳ tiêu thụ nhiều năng lượng và nước như tất cả cư dân của Philadelphia. Giờ đây, bằng cách tích hợp kênh làm mát chất lỏng trực tiếp vào chip bán dẫn, các nhà nghiên cứu hy vọng ít nhất sẽ giảm được tổn thất này trong thiết bị điện tử công suất, làm cho thiết bị nhỏ hơn, chi phí thấp hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
Theo truyền thống, các thiết bị điện tử và hệ thống quản lý nhiệt được thiết kế và sản xuất riêng biệt, Elison Matioli, giáo sư kỹ thuật điện tại Viện Công nghệ Ecole ở Lausanne, Thụy Sĩ cho biết. Điều này mang lại một trở ngại cơ bản cho việc cải thiện hiệu quả làm mát, vì nhiệt phải di chuyển một khoảng cách tương đối dài trong nhiều vật liệu cần được loại bỏ. Ví dụ: trong bộ vi xử lý' ngày nay, các xi phông vật liệu nhiệt sẽ truyền nhiệt từ chip sang bộ tản nhiệt bằng đồng làm mát bằng không khí cồng kềnh.
Để có được một giải pháp tiết kiệm năng lượng hơn, Matioli và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một quy trình chi phí thấp đặt mạng lưới 3D của các kênh làm mát vi lỏng trực tiếp vào chip bán dẫn. Chất lỏng có thể loại bỏ nhiệt tốt hơn không khí. Ý tưởng là để micromet nước làm mát tránh xa các điểm nóng của chip.
Nhưng không giống như công nghệ làm mát vi lỏng được báo cáo trước đây, ông nói: “Chúng tôi thiết kế các thiết bị điện tử và hệ thống làm mát ngay từ đầu”. Do đó, vi kênh được đặt bên dưới khu vực hoạt động của mỗi thiết bị bóng bán dẫn, nơi nhiệt độ của nó cao nhất, giúp tăng hiệu suất làm mát lên 50 lần. Họ đã báo cáo khái niệm thiết kế chung của họ trong" Nature" tạp chí.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất công nghệ làm mát vi kênh ngay từ năm 1981 và các công ty mới thành lập như Cooligy cũng đang theo đuổi khái niệm về bộ vi xử lý. Tuy nhiên, ngành công nghiệp bán dẫn đang chuyển từ các thiết bị phẳng sang các thiết bị ba chiều và đang hướng tới các chip trong tương lai với cấu trúc nhiều lớp, điều này khiến các kênh làm mát trở nên không thực tế." Loại giải pháp làm mát nhúng này không phù hợp với các bộ xử lý và chip hiện đại, chẳng hạn như CPU," Tiwei Wei, người nghiên cứu các giải pháp làm mát điện tử tại Trung tâm Vi điện tử Interuniversity và KU Luuven ở Bỉ cho biết." Ngược lại, loại công nghệ làm mát này có ý nghĩa nhất đối với thiết bị điện tử công suất," anh ấy nói.
Mạch điện tử công suất quản lý và chuyển đổi năng lượng điện, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như máy tính, trung tâm dữ liệu, tấm pin mặt trời và xe điện. Họ đã sử dụng các thiết bị rời rạc diện tích lớn làm bằng chất bán dẫn băng thông rộng như gali nitride. Mật độ năng lượng của các thiết bị này đã tăng mạnh trong vài năm qua, có nghĩa là chúng phải được" kết nối với một bộ tản nhiệt khổng lồ," Matoli nói.
Gần đây, các mô-đun điện tử công suất đã chuyển sang làm mát bằng chất lỏng, cho dù thông qua các tấm lạnh hoặc hệ thống làm mát vi kênh. Tuy nhiên, cho đến nay, tất cả các hệ thống làm mát vi kênh đều được sản xuất riêng biệt và sau đó được kết hợp với chip. Lớp liên kết làm tăng khả năng chịu nhiệt, kênh dẫn và thiết bị mạch điện không được ăn khớp với nhau.
& quot; Chúng tôi đã đưa nó lên cấp độ tiếp theo," Matoli cho biết, bằng cách sản xuất thiết bị và các kênh làm mát trong cùng một con chip. Họ khắc các vết nứt rộng cỡ micrômet trên lớp gali nitrua được phủ trên nền silicon. Khe dài 30μm và sâu 115μm. Sử dụng công nghệ khắc khí đặc biệt, chúng mở rộng khoảng trống trên đế silicon để tạo thành một kênh dẫn chất làm mát lỏng đi qua.
Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng đồng để bịt các lỗ nhỏ trong lớp gali nitride và chế tạo các thiết bị trên đó. Anh ấy nói:" Chúng tôi chỉ có các vi kênh trong các khu vực nhỏ của tấm wafer, và các vi kênh này tiếp xúc với mọi bóng bán dẫn. Điều này làm cho công nghệ này hiệu quả hơn vì chúng tôi có thể trích xuất rất nhiều nhiệt từ gần đó, nhưng bơm chúng tôi sử dụng Công suất rất nhỏ."
Để chứng minh, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mạch chỉnh lưu AC-DC bao gồm bốn điốt Schottky. Mỗi diode có thể xử lý 1,2kV. Một mạch điện như thế này thường yêu cầu một bộ tản nhiệt có kích thước bằng nắm tay. Nhưng chip mạch tích hợp hệ thống làm mát bằng chất lỏng được gắn trên một bảng mạch in có kích thước bằng một ổ USB flash. Bảng mạch bao gồm ba lớp với các kênh được khắc trên đó để cung cấp chất lỏng làm mát đến chip.
Màn hình hiển thị rằng các điểm nóng có mật độ công suất lớn hơn 1700 W / cm² có thể được làm mát chỉ bằng công suất bơm 0,57 W / cm². So với làm mát kênh vi lỏng được báo cáo trước đây, hiệu suất được cải thiện gấp 50 lần.
Wei nói," Độ tin cậy của màng gallium nitride và lớp niêm phong bằng đồng cần được nghiên cứu theo thời gian. Nhưng giải pháp làm mát sáng tạo này là một bước tiến tới" hệ thống làm mát điện tử chi phí thấp, siêu nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng." Một bước tiến lớn."