A chipek között áramoltatja a vizet az IBM új hűtési megoldása
Az IBM zürichi kutatólaboratóriuma a berlini Fraunhofer Intézet segítségével olyan megoldást dolgozott ki, amely segítségével hatékonyan hűthetők a stackelt chipek, megnyitva az utat azok tömeges alkalmazása előtt.
A chipek közvetlen egymásra építése, vagyis stackelése révén jelentős teljesítménynövekedés érhető el, ugyanis a lapkákat összekötő vezetékek hossza ezzel legalább egy nagyságrenddel csökken. Ugyanakkor a nagy teljesítményű lapkák hűtése eddig szinte leküzdhetetlen feladat elé állította azt az ipart, amelynek ma már egy-egy forrófejű processzor hűtése is komoly próbatétel, több, egymásra épített ilyen chip hőtermelésének kezelése pedig leküzdhetetlen feladatnak tűnt.
A chipek között áramlik a víz
Minél több chipet építünk egymásra, annál nagyobb teljesítményt érhetünk el, de annál nehezebb feladat a hűtés is, mivel az egymásra "rétegezett" lapkák gátolják a hő leadását. Az IBM mérnökei most olyan hűtési megoldást alkottak, amely közvetlenül a chiprétegek között, hajszálvékony vezetékekben áramoltatja a vizet, így vezetve el a disszipált hőt. A kísérletek szerint ezzel a módszerrel négyzetcentiméterenként akár 180 wattos energiakibocsátással is megbirkózik, miközben mindössze 100 mikron, azaz 0,1 milliméter vékony.
"Ez igazi áttörés. A klasszikus hűtési megoldásokkal már kettő nagy teljesítménysűrűségű logikai IC stackelése is lehetetlen lenne" -- mondta Bruno Michel, az IBM laboratóriumának hűtésekkel foglalkozó kutatómérnöke. "Annak érdekében, hogy ki tudjuk aknázni a 3-D chip stackelés előnyeit, olyan hűtésre van szükségünk, ami a rétegek között helyezkedik el" -- tette hozzá Thomas Brunschwiler, az IBM zürichi kutatólaborjának projektvezetője. "Egészen mostanáig senki sem mutatott be működőképes megoldást erre a problémára."
A kutatócsapat olyan kísérleti megoldást hozott létre, amely egyfelől a lehető legtöbb folyadékot képes áramoltatni a 10 ezer elektromos vezető körül, de mégis tökéletesen szigetelt, nem okoz zárlatot. Ennek kulcsa a szilíciumból készült vezetékek köré szilíciumdioxidból "épített" fal, amely kizárja a vizet. Az ilyen vízhatlan vezetékekkel összekötött chipeket végül egy kis tartályba merítik, amelyben a víz az egyik sarokból a másikba áramlik, és áthalad a chipek közötti rétegeken is, hűtve azokat. A csapat a jövőben azon kezd dolgozni, hogy sokkal több vízhatlan vezetéket tudjanak létrehozni az egyes chiprétegek között.
Korábbi IBM fejlesztések a hűtés területén
Az IBM zürichi kutatólaboratóriuma már több innovatív hűtési megoldással is előrukkolt az elmúlt években -- 2006 őszén két emlékezeteset is bemutattak. A "nagy hővezetőképességű interfész technológia" (high thermal conductivity interface technology) projekt keretében az IBM mérnökei egy olyan "sapkát" fejlesztettek ki, amelynek felületében mikroszkopikus méretű csatornákat képeztek ki, amelyek a lehető legegyenletesebben terítik el a hővezető pasztát a chip és a hűtőborda között, ezáltal akár tízszeresére javítva a hőátadás hatákonyságát.
A másik megoldás már folyadékkal működik: a melegedő chipek hátára hőtőfolyadékot -- jelen esetben vizet -- permeteznek, amely aztán elpárolog, ezáltal hőt vonva el. A rendszer teljesen zárt, az elpárolgott hűtőfolyadék egy fa-szerű struktúrában csapódik le ismét, amelynek köszönhetően a rendszer "keringetése" nem igényel sok energiát. Az IBM laboratóriumában már működő megoldás 50 ezer apró csőből állt és a kutatók szerint négyzetcentiméterenként akár 370 wattos hőleadásig is használható.