211service.com
Chip di raffreddamento con termoelettrico
Se potessi rimuovere gli strati di circuiti nel tuo computer e toccare il processore principale mentre sta eseguendo un video, sentiresti il suo calore rovente, che può superare i 100 °C. Tale calore, un sottoprodotto naturale dello spostamento degli elettroni attraverso i transistor, può ostacolare le prestazioni e persino danneggiare il processore a lungo termine. Tradizionalmente, gli ingegneri hanno utilizzato semplici piastre di rame per eliminare il calore e ventole o sistemi di raffreddamento a base di liquido. Ma questi sistemi sono ingombranti e possono assorbire energia.
Raffreddamento del chip: Il dispositivo di raffreddamento termoelettrico mostrato sopra (quadrato dorato al centro) è attaccato a una piastra di rame che viene utilizzata per diffondere il calore dai punti caldi sui chip.
Ora i ricercatori di Intel, RTI International della Carolina del Nord e Arizona State University hanno dimostrato che è possibile costruire un microfrigorifero efficiente in grado di indirizzare i punti caldi sui chip, risparmiando energia e spazio e raffreddando in modo più efficace l'intero sistema. Il loro lavoro dimostra anche, per la prima volta, che è possibile integrare il materiale termoelettrico nell'imballaggio dei chip, rendendo la tecnologia più pratica che mai. Un articolo che descrive in dettaglio la ricerca è stato appena pubblicato in Nanotecnologia della natura .
La tecnologia fondamentale utilizzata per raffreddare il chip, un dispositivo di raffreddamento termoelettrico, non è nuova, spiega Rama Venkatasubramanian , direttore di ricerca senior presso il Center for Solid State Energetics presso RTI International. In un Natura carta del 2001, lui e il suo team hanno dimostrato che un materiale chiamato superreticolo a film sottile nanostrutturato ha proprietà termiche superiori ad altri tipi di materiali termoelettrici sottili: il superreticolo conduce bene l'elettricità ma impedisce il flusso di calore. Quando una corrente elettrica attraversa il materiale, la sua temperatura può scendere fino a circa 55 °C.
Le persone parlano da anni dell'utilizzo di materiali termoelettrici ad alta efficienza per raffreddare i punti caldi sui chip, afferma il manager di Intel Ravi Prasher. Dice che parte del motivo per cui lui e i suoi colleghi sono riusciti ad avere successo è perché hanno utilizzato un materiale che ha mostrato proprietà termiche eccezionali e si sono affidati alla conoscenza di Intel dell'imballaggio dei chip per costruire un sistema termoelettrico integrato progettato per adattarsi all'interno del confini dell'alloggiamento di un chip.
Per inserire il microfrigorifero nel pacchetto del chip, gli ingegneri hanno integrato il dispositivo di raffreddamento su un quadrato di rame, proprio come il tipo che è già utilizzato nell'imballaggio dei chip per disperdere il calore. Di solito questo pezzo di rame è a stretto contatto con il chip, ma i ricercatori hanno messo il dispositivo di raffreddamento da 0,4 millimetri quadrati tra il chip e il rame. Quando il microfrigorifero è stato acceso, ha raffreddato una regione localizzata sul chip di circa 15°C. Questo è significativo, afferma Venkatasubramanian, perché in generale, per ogni aumento di cinque gradi della temperatura del chip, c'è una marcata diminuzione dell'affidabilità e delle prestazioni di un chip. Nella dimostrazione, i ricercatori hanno utilizzato solo un'unità di microrefrigerazione ma prevedono di utilizzarne tre o quattro per chip, per coprire le zone più calde.
Tuttavia, le prestazioni non erano nemmeno vicine alla quantità massima di raffreddamento di cui è capace il microfrigorifero quando non è limitato all'alloggiamento del chip. Abbiamo trovato una buona prestazione, dice Venkatasubramanian, ma ci sono ancora molte sfide. Quando gli ingegneri inseriscono il dispositivo di raffreddamento all'interno del pacchetto, ci sono una serie di punti di contatto aggiuntivi in cui il dispositivo di raffreddamento è collegato alla piastra di rame e all'elettronica di imballaggio, afferma. Prasher spiega che le caratteristiche termiche di questi contatti svolgono un ruolo significativo nel ridurre l'efficienza del refrigeratore: di per sé, [ridurre la resistenza dei contatti termici] è un'area di ricerca significativa. Le persone stanno esplorando diversi tipi di saldatura e persino nanotubi di carbonio per ridurre la resistenza all'interfaccia, dice, ma il problema deve ancora essere risolto.
Senza riguardo, Ali Shakouri , professore di ingegneria elettrica presso l'Università della California, Santa Cruz, è rimasto colpito dal lavoro svolto finora. Questo è un buon risultato, dice. L'idea [che] c'è una distribuzione non uniforme della temperatura in un microprocessore, e che raffreddando selettivamente determinate posizioni puoi fare un lavoro migliore e risparmiare energia, è in circolazione da un po', ma non era stata dimostrata su un chip prima .
Shakouri osserva che man mano che l'industria dei microprocessori si sposta verso l'utilizzo di più core o centri di elaborazione su un chip, il problema degli hot spot peggiorerà, perché i carichi di lavoro vengono spostati da un core all'altro, creando più hot spot transitori. I fan, utilizzati oggi in molti computer, non rispondono in modo rapido o efficace. Se si potessero avere microfrigoriferi in modo selettivo in un chip multicore, afferma, si potrebbe ridurre la potenza e aumentare le prestazioni.
I ricercatori non hanno una tempistica per la commercializzazione. In questo momento, anche se il dispositivo di raffreddamento potrebbe essere incorporato nella confezione tradizionale dei chip, sarebbe comunque proibitivo. Dopotutto, afferma Venkatasubramanian, aggiungere un dispositivo di raffreddamento significa essenzialmente aggiungere un livello completamente nuovo di elettronica a un chip. Dice che se il costo e la scalabilità di questi dispositivi di raffreddamento possono essere affrontati, allora è sicuro che troveranno un mercato.