محققان سیستم خنک‌کننده آبی درون‌تراشه‌ای معرفی کردند

از زمانی‌که پردازنده‌های کامپیوتر رومیزی وارد محدوده‌ی توان گیگاهرتزی شدند، تصور عمومی بر این بود که مسیر پیشرفت و افزایش توان، ادامه‌دار و همیشگی خواهد بود. البته پس از مدتی پیشرفت توان و فرکانس‌ها متوقف شد. مشکل اصلی، خود افزایش سرعت پردازنده‌ها نبود، بلکه آن‌ها با چالش‌هایی همچون افزایش توان مصرفی و گرمای تولیدشده بر اثر توان بیشتر، روبه‌رو شدند. حتی با وجود فن‌های پیشرفته و سیستم‌‌های خنک‌کننده‌ی بزرگ و هیت‌سینک‌های عظیم، گرما هنوز به‌عنوان مشکلی اساسی در توان مصرفی پردازنده محسوب می‌شود. حتی با وجود معرفی سیستم‌هایی همچون خنک‌کننده‌های آبی مخصوص پردازنده یا کل کیس، باز هم گرما مانع از قدرتمندتر شدن پردازنده‌ها می‌شود.

یکی از محدودیت‌های اصلی استفاده از سیستم‌‌های خنک‌کننده‌ی آبی، فرایند انتقال گرما از خود تراشه به آب موجود در لوله‌های خنک‌کننده است. همین چالش باعث شد تا گروهی از محققان، جریان مستقیم آب در داخل تراشه را مدنظر قرار دهند. طبق تحقیقات جدید، محققان سوئیسی موفق به طراحی واحد یکپارچه‌ای شده‌اند که تراشه و سیستم خنک‌کننده‌ی آبی را درکنار یکدیگر دارد. در سیستم جدید، کانال‌های مایع درکنار داغ‌ترین بخش‌های تراشه قرار می‌گیرند. نتیجه‌ی آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که بهره‌وری انتقال گرما با سیستم جدید بسیار بهتر می‌شود.

تاکنون پیشنهادها و طرح‌های گوناگونی برای سیستم‌های خنک‌کننده‌ی مایع روی تراشه ارائه شده‌اند. این سیستم‌‌ها اغلب شامل یک سیستم مجهز به دستگاهی با کانال‌های مایع می‌شوند که به تراشه لحیم شده‌اند و یک سیستم دیگر، مایع را از میان آن به جریان می‌اندازد. چنین رویکردی توانایی استخراج گرما از تراشه را دارد و آزمایش‌های اولیه هم نقاط ضعفی نسبی را در آن گزارش کرده‌اند. برای پمپ کردن آب به کانال‌های مذکور، نیاز به توان بیشتری نسبت به توان استخراجی از پردازنده دارد. البته توان مصرفی مذکور به گرمای کلی سیستم نمی‌افزاید، اما درنهایت منجر به کاهش بازدهی انرژی سیستم کلی می‌شود.

تحقیقات جدید که بر اساس یافته‌ها و ایده‌های قبلی انجام شدند، متمرکز بر بهبود بازدهی سیستم‌های خنک‌کننده‌‌ی روی تراشه هستند. گروه محققان می‌گویند سیستم جدید از تراشه‌ای با قدرت تبدیل توان استفاده می‌کند که کاهش عملکرد به‌خاطر گرما را تاحدی جبران خواهد کرد.

نیمه‌هادی‌هایی که در تحقیق اخیر برای تبدیل توان استفاده می‌شوند، از جنس سیلیکون نیستند. محققان ماده‌ی گالیم نیترید را برای این کاربرد پیشنهاد می‌کنند؛ چون کنترل جریان بهتر و بازدهی بالاتری دارد. البته سیستم‌های ساخته‌شده با GaN برای هماهنگی با روش‌های تولید کنونی اغلب روی ویفرهای سیلیکونی نصب می‌شوند. سیلیکون در چنین سیستم‌هایی تنها نقش ماده‌ی فیزیکی پایه‌ای را برعهده دارد و هیچ عملکرد مداری از خود نشان نمی‌دهد. استفاده از سیلیکون برای محققان یک مزیت داشت. آن‌ها می‌گویند: «ما می‌دانیم که چگونه می‌توان در مقیاس بسیار کوچک، ساختار ماده‌ای سیلیکون را کنترل کرد. درنتیجه می‌توان با بهره‌برداری از همین ساختار، کانال‌های خنک‌کننده را مستقیم در تماس با سطح مدار GaN نصب کرد».

فرایند ساخت پیشنهادی محققان، بسیار حرفه‌ای به‌نظر می‌رسد. ابتدا شکاف‌های بسیار ریز از داخل GaN و سیلیکون زیری بریده می‌شوند. سپس یک فرایند اچ کردن انجام می‌شود که تنها روی سیلیکون تأثیر می‌گذارد و کانال‌ها را گسترش می‌دهد. فواصل ایجادشده در لایه‌ی GaN نیز با مس پوشیده می‌شوند تا انتقال گرما به آب، بهتر و سریع‌تر رخ دهد. در پایین این کانال‌ها، مسیرهای متناوبی وجود دارند که به‌عنوان مسیر تزریق آب و خروج استفاده می‌شوند. آب خنک از مسیر ورودی به سیستم وارد شده و پس از گذر از کانال‌ها و استخراج گرما، از بخش دیگر خارج می‌شود.

طراحی سیستم به‌گونه‌ای انجام می‌شود که لایه‌ی GaN در داغ‌ترین بخش‌ها در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به کانال‌های آبی قرار بگیرد. درنتیجه، بازدهی استخراج گرما بیشتر می‌شود. بررسی‌های گوناگون تحقیقاتی، ابعاد و هندسه‌های متفاوت را برای کانال‌ها و بخش‌های دیگر طراحی، تحلیل می‌کنند. توان مصرفی برای به جریان انداختن آب در داخل سیستم هم باید بهینه شود. بهترین هندسه‌ی مورد آزمایش، توانایی به جریان انداختن ۱،۷۰۰ وات در هر سانتی‌متر مربع را دارد و دمای تراشه را هم در حدود ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نگه می‌دارد.

پس از راه‌اندازی سیستم آزمایشی، به ازای هر وات توان اضافه، دمای سیستم تنهای یک‌سوم درجه‌ی سانتی‌گراد افزایش پیدا می‌کرد. در مجموع، دما در محدوده‌ی ۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نگه داشته شد. درنتیجه دستگاه آزمایشی توان اجرایی ۱۷۶ وات را با جریان آبی کمتر از یک میلی‌متر در ثانیه پیدا کرد. به‌علاوه، با محدود کردن گرما، فرایند تبدیل توان نیز با بازدهی بسیار بیشتر رخ داد.

محققان می‌‌گویند حدود ۳۰ درصد از مصرف انرژی دیتاسنترها صرف سیستم‌های خنک‌کننده می‌شود و آن‌ها سالانه حدود ۱۰۰ میلیارد لیتر آب مصرف می‌کنند. اگر این فناوری را بتوان در همه‌ی تراشه‌ها (و نه‌تنها‌ مبدل‌های توان) استفاده کرد، مصرف انرژی برای خنک‌کنندگی به حدود یک درصد مصرف کنونی کاهش پیدا می‌کند.

مانند همه‌ی تحقیقات تئوری دیگر، هنوز راه زیادی تا عملی شدن نتیجه‌ی آزمایش‌ها در پیش داریم. سیستم آزمایشی محققان بسیار ساده بود و شناسایی مناطق داغ‌تر GaN در آن دشواری خاصی نداشت. در ابعاد کوچک پردازنده‌ها که چالش تغییر مکان داغ را نیز بسته به فعالیت درحال انجام دارند، شرایط دشوارتر می‌شود. همچنین پایداری سیستم هم باید بررسی شود که در طولانی‌مدت روی ساختار مواد در تماس با آب، تغییری ایجاد نکند. همچنین سیستم تأمین و جریان آب هم برای چنین طراحی نیاز به بررسی بیشتر دارد.