Ngày nay, nhiệt từ các thiết bị điện tử dày đặc là một nguồn tài nguyên đắt tiền. Để giữ cho hệ thống ở nhiệt độ thích hợp nhằm mang lại hiệu suất tính toán tối ưu, hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu của Hoa Kỳ tiêu thụ nhiều năng lượng và nước bằng tất cả cư dân của Philadelphia. Giờ đây, bằng cách tích hợp các kênh làm mát bằng chất lỏng trực tiếp vào chip bán dẫn, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ giảm thiểu tổn thất này ít nhất trong các thiết bị điện tử công suất, khiến chúng trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn và ít tiêu tốn năng lượng 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 ecole Polytechnique ở Lausanne, Thụy Sĩ cho biết. Điều này cho thấy một rào cản cơ bản đối với việc cải thiện hiệu quả làm mát, vì nhiệt phải di chuyển một khoảng cách tương đối dài trên nhiều vật liệu trước khi có thể được loại bỏ. Ví dụ, trong các bộ vi xử lý của&# 39 ngày nay, các ống hút vật liệu nóng sẽ truyền nhiệt từ chip sang các cánh tản nhiệt bằng đồng cồng kềnh, được làm mát bằng không khí.
Để có 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 một mạng lưới 3D gồm các kênh làm mát vi lỏng trực tiếp vào chip bán dẫn. Chất lỏng loại bỏ nhiệt tốt hơn không khí và ý tưởng là giữ cho micromet chất làm mát cách xa điểm nóng trên chip.
Nhưng không giống như làm mát vi lỏng được báo cáo trước đây, anh ấy nói," Chúng tôi thiết kế thiết bị điện tử và hệ thống làm mát ngay từ đầu." Do đó, vi kênh nằm ngay bên dưới vùng hoạt động của mỗi thiết bị bóng bán dẫn, nơi nó ở nhiệt độ cao nhất, giúp tăng hiệu suất làm mát lên 50. Họ đã báo cáo ý tưởng thiết kế chung của mình trong một ấn phẩm gần đây về tự nhiên.
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất công nghệ làm mát vi kênh ngay từ năm 1981 và các công ty khởi nghiệp như Cooligy đã theo đuổi ý tưởng về bộ vi xử lý trong nhiều năm. Nhưng ngành công nghiệp bán dẫn đang chuyển từ các thiết bị phẳng sang các thiết bị ba chiều và hướng tới các chip tương lai có cấu trúc nhiều lớp, khiến các kênh làm mát trở nên không thực tế." Giải pháp làm mát nhúng này không phù hợp với các bộ xử lý và chip hiện đại như cpus," TiweiWei, người nghiên cứu các giải pháp làm mát điện tử tại Trung tâm Vi điện tử Interuniversity và KU Luuven ở Bỉ cho biết." Thay vào đó, công nghệ làm mát này có ý nghĩa nhất đối với thiết bị điện tử công suất," anh ấy nói.
Các mạch điện tử công suất quản lý và chuyển đổi năng lượng điện và được sử dụng rộng rãi trong 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 vọt trong vài năm qua, có nghĩa là chúng phải được" kết nối với một bộ tản nhiệt khổng lồ," Matoli nói.
Gần đây hơn, các mô-đun điện tử công suất đã chuyển sang làm mát bằng chất lỏng, thông qua hệ thống làm mát bằng tấm lạnh hoặc 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 tăng thêm khả năng chịu nhiệt, các kênh và thiết bị mạch không được liên kết chặt chẽ.
& quot; Chúng tôi đã đưa nó lên cấp độ tiếp theo," Matoli nói, bằng cách tạo ra các thiết bị và kênh làm mát trong cùng một con chip. Họ khắc các vết nứt rộng cỡ micromet trong một lớp gali nitride phủ trên nền silicon. Chiều dài khe 30μm, sâu 115μm. Sử dụng kỹ thuật ăn mòn khí đặc biệt, chúng mở rộng các khoảng trống trên chất nền silicon để tạo thành các kênh mà chất làm mát lỏng đi qua.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đồng để bịt kín các lỗ nhỏ trong lớp gali nitride và chế tạo các thiết bị trên đó." Chúng tôi chỉ có các vi kênh trong các khu vực nhỏ của tấm wafer tiếp xúc với mỗi bóng bán dẫn," anh ấy nói. Điều này làm cho công nghệ hiệu quả hơn nhiều vì chúng tôi có thể trích xuất rất nhiều nhiệt từ gần đó, nhưng công suất bơm mà chúng tôi sử dụng là rất nhỏ."
Để minh chứng, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một mạch chỉnh lưu AC-DC bao gồm bốn điốt Schottky, mỗi điốt có khả năng xử lý điện áp 1,2kV. Các mạch như thế này thường yêu cầu một bộ tản nhiệt cỡ nắm tay. Nhưng chip mạch với 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 vào đó để cung cấp chất làm mát đến chip.
Màn hình hiển thị cho thấy các điểm nóng có mật độ công suất hơn 1.700 watt trên mỗi cm vuông có thể được làm mát chỉ bằng 0,57 watt trên mỗi cm vuông công suất bơm. Đây là sự cải thiện hiệu suất gấp 50 lần so với cách làm mát kênh vi lỏng được báo cáo trước đây.
& quot; Độ tin cậy của màng gali nitride và vòng đệm bằng đồng cần được nghiên cứu theo thời gian. Nhưng giải pháp làm mát sáng tạo này là một bước tiến lớn đối với hệ thống làm mát điện tử tiết kiệm năng lượng, siêu nhỏ gọn và chi phí thấp.