Парадокс: более горячее, круче: японцы нашли способ превратить перегрев чипа в преимущество
Основным врагом чипсов является союзник?
Специалисты Института промышленных наук в Токийском университете создали уникальную систему для охлаждающих компьютерных чипов. Их развитие, описанная в журнальных ячейках, сообщает физические науки, может привести к революции в электронной промышленности.
За последние полвека продуктивность чипов увеличилась в геометрической прогрессии благодаря постоянному уменьшению размера транзисторов — основных элементов каждого процессора. Эта тенденция была замечена в 1965 году Гордоном Мур, одним из основателей Intel, когда он заметил, что количество компонентов одного чипа удваивается каждые два года. Впоследствии его наблюдения были использованы для сформулирования закона Мура.
Однако сегодня, однако, дальнейшая миниатюризация сталкивается с серьезным препятствием: чем более тесно находятся транзисторы, тем больше энергии выделяется в виде тепла на небольшой площади. Существующие технологии больше не могут справиться с охлаждением современных процессоров, и это становится серьезным препятствием для создания более мощных устройств.
В настоящее время инженеры рассеивают избыточное тепло с помощью микроскопических протоков, которые проходят в кристалл. Через эти тонкие каналы вода циркулирует, и когда она вступает в контакт с нагретыми частями чипа, она убирает их тепловую энергию. Этот процесс осуществляется благодаря основному закону термодинамики: тепло всегда передается от более теплого тела в более холодное, стремясь к даже распределению энергии. Однако этот метод имеет серьезный предел: Любая молекула воды может поглощать только определенное количество теплаувеличивая его кинетическую энергию, которая представляет собой повышение температуры жидкости.
Японские исследователи нашли более эффективное решение. Они обратили внимание на физическое явление, известное всем кипящему чайнику: Когда вода превращается в пар, она поглощает огромное количество энергииS Это потому, что молекулам воды нелегко разорвать водородные связи друг с другом и перемещаться из жидкости в газообразное состояние. Во время этого фазового перехода жидкость поглощает примерно в семь раз больше тепла, чем когда она просто нагревается до точки кипения. Физики называют эту дополнительную энергию скрытой тепью испарения.
Были уже предприняты попытки создать две фазные системы охлаждения, которые используют как нагрев жидкости, так и ее испарение. Однако есть один важный улов: Как эффективно контролировать поток пузырьков, полученный путем нагрева жидкости. Эти пузырьки могут сливаться в более крупные образования, нарушать циркуляцию хладагента и снизить эффективность тепловой передачи. Чтобы достичь максимального теплообмена, необходимо было найти идеальную конфигурацию нескольких параметров одновременно: размер канала, скорость потока, давление системы и распределение температуры.
Специалисты по Токио разработали Три -мерный дизайн: Они объединили сеть микросовершенство со специальной геометрией с капиллярными структурами, которые способствуют равномерному распределению жидкости из -за сил поверхностного натяжения. Дополнительный слой распределения обеспечивает оптимальное подавление холодильника для всех элементов системы.
Эксперименты показали, что эффективность всей структуры зависит от двух ключевых элементов. Первый — это форма и расположение микроскопических воздуховодов, через которые движется хладагент. Вторым является архитектура системы распределения, которая обеспечивает равномерный поток жидкости.
Прототип продемонстрировал рекордную производительность. Соотношение между полезным охлаждающим эффектом и потребляемой энергией достигает значения 105 — это значительно превышает характеристики всех существующих аналогов.
Особенно ценной является возможность автономной работы без дополнительных механизмов. Процесс теплообмена происходит естественным образом благодаря конвекции при преобразовании фазы жидкости. Этот принцип позволяет применять технологию не только в области вычислительных технологий, но и в других областях.
Новый метод может использоваться в квантовых компьютерах, лазерных установках, детекторах света и радиолокационных системах. Производители автомобилей и аэрокосмического аппарата также представляют интерес для этого инновации. Поскольку цифровые устройства становятся более компактными и мощными с каждым годом, их эффективное охлаждение имеет решающее значение.
Ученые также отмечают, что их изобретение будет способствовать развитию экологически чистых технологий. В конце концов, компетентное управление генерацией тепла приближает человечество к важной цели — полное отказ от источников углерода.
