IBM: новый подход к дизайну систем охлаждения

Современные процессоры не только выделяют большое количество тепла, но и требуют дополнительной энергии для его отвода. В рамках проходящей конференции BroadGroup Power and Cooling Summit в Лондоне исследователи из IBM Research представили инновационный подход к разработке систем охлаждения компьютерных чипов. High thermal conductivity interface technology (технология поверхности с высокой теплопроводностью) позволяет в несколько раз улучшить отвод тепла по сравнению с существующими методами.

По мере того как в соответствии с законом Мура растут плотность транзисторов на кристалле и тактовые частоты процессоров, их эффективное охлаждение становится одной из наиболее острых проблем. Современные высокопроизводительные CPU уже генерируют мощность с поверхностной плотностью около 100 Вт/см². Традиционные системы, базирующиеся в основном на принудительном воздушном охлаждении, уже исчерпали свои возможности.

Представленная на лондонской конференции разработка является одним из результатов исследований, проводимых в лаборатории IBM в Цюрихе.

Схема поперечного сечения системы охлаждения на основе поверхности с высокой теплопроводностью

В подходе, предложенном инженерами из IBM, рассматривается плоскость контакта поверхности горячей микросхемы с различными охлаждающими компонентами, используемыми сегодня для отвода тепла, включая радиаторы. Для того чтобы чип мог беспрепятственно изменять объем в соответствии со своими тепловыми циклами, для контакта с ними применяются специальные пластичные пасты с наполнителями. Чтобы обеспечить наиболее эффективный перенос тепла, такая паста наносится как можно более тонким слоем. Процедура ее уплотнения используемыми сегодня способами может вызвать повреждение или даже поломку чипа.

Схема поперечного сечения системы охлаждения с прямым вспрыскиванием

Инженеры IBM с помощью сложной микротехнологии разработали специальную насадку на микросхему с сетью древоподобных каналов на ее поверхности. Структура сетки разработана таким образом, что термопаста под прикладываемым давлением распределяется более равномерно. Это позволяет для получения контакта нужной плотности использовать давление в два раза меньшее, чем в типичных случаях (что снижает риск повреждения чипа), и в десять раз улучшить перенос тепла через поверхность.

Поперечное сечение системы охлаждения посредством прямого контакта с потоком, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (синие стрелки- потоки воды)

Уникальная и очень эффективная конструкция заимствована из биологии. Иерархическую систему каналов достаточно часто можно обнаружить в природе, например у листьев и корней деревьев, в системе кровообращения человека. Они могут переносить очень большие объемы жидкости при минимальных затратах энергии. В ирригационных сооружениях древних также использовался такой подход.

Концепция разветвленных каналов была применена и к водяной системе охлаждения. Названная direct jet impingement, что можно перевести как прямой контакт с потоком, она вспрыскивает воду на поверхность чипа и отводит ее с помощью массива из 50 тыс. тонких сопел и сложной древоподобной архитектуры каналов. Первые лабораторные результаты оказались весьма впечатляющими. Система справилась с отводом тепла вплоть до 370 Вт/см², что более чем в шесть раз выше предела современных воздушных систем – 75 Вт/см². К тому же расход энергии на отвод тепла был намного ниже, чем у других систем охлаждения.