Termodynamika, mikroprzepływ i zwykła woda jako chłodziwo
W niejakim skrócie pomysł polega na tym, by chłodziwo przepuścić przez sieć kanałów o mikrometrowej skali, które są wytrawione bezpośrednio w podłożu urządzenia elektronicznego lub zintegrowane z nim w inny sposób. Za skuteczność tej metody odpowiada niezwykle wysoki stosunek powierzchni do objętości w mikrokanalikach, zwiększający powierzchnię kontaktu między chłodziwem a nagrzaną powierzchnią, co umożliwia znacznie bardziej efektywny transfer ciepła w porównaniu do systemów makroskalowych. Tak wygląda ogólna zasada – szczegółowe rozwiązania różnią się nie tylko stopniem skomplikowania, ale i efektywnością.
Zespół badaczy z Uniwersytetu Pekińskiego opracował system, zdolny do radzenia sobie z mocami rzędu 3 kW/cm2. Sekretem tak wysokiej skuteczności niecodzienna struktura zbudowana z trzech warstw wytrawionych bezpośrednio w podłożu krzemowym – system wykorzystuje standardowe procesy MEMS do tworzenia złożonych struktur chłodzących.
Górna część pełni funkcję kolektora stożkowego, który równomiernie rozprowadza wodę po całej powierzchni układu. Dzięki temu każdy mikrokanalik otrzymuje identyczną ilość chłodziwa, co zapewnia spójne chłodzenie całego chipa. Warstwa środkowa generuje mikrostrumienie – miniaturowe dysze kierują płyn pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio na newralgiczne miejsca układu. Dolną część stanowią mikrokanaliki o piłokształtnych ściankach, które odpowiadają za odprowadzanie ogrzanego już chłodziwa poza układ, zamykając w ten sposób cykl chłodzenia.
Nowy system jest w stanie rozproszyć strumień ciepła sięgający 3000 W/cm2, osiągając współczynnik wydajności na poziomie 13 000, przy czym moc pompowania wynosi zaledwie 0,9 W/cm2. Dla porównania tradycyjne rozwiązania mikroprzepływowe zwykle osiągały wartości poniżej 2000 W/cm². Metoda wykorzystuje jednofazową wodę jako chłodziwo, co eliminuje potrzebę stosowania skomplikowanych mechanizmów zmiany fazy charakterystycznych dla innych zaawansowanych systemów. Przy rozpraszaniu strumienia ciepła o gęstości 1000 W/cm² temperatura chipa rośnie maksymalnie o 65 kelwinów.
Istotną zaletą nowej technologii jest możliwość produkcji układów z mikrokanalikowym systemem chłodzenia przy użyciu istniejących procesów technologicznych stosowanych w przemyśle półprzewodnikowym. Brak konieczności tworzenia zupełnie nowych linii produkcyjnych dla układów z chłodzeniem mikrokanalikowym zwiększa zaś szansę na komercyjne wdrożenie technologii w rozsądnej przyszłości. Wydaje się jednak, że domowe CPU i GPU będą musiały poczekać – w pierwszej kolejności takie rozwiązania trafiają raczej do serwerów, centrów danych, systemów AI czy superkomputerów. Jeśli nowa technologia tam się sprawdzi – wtedy trafi pewnie także do urządzeń codziennego użytku.