211service.com
Kølechips med termoelektrik
Hvis du kunne fjerne lagene af kredsløb i din computer og røre ved hovedprocessoren, mens den kører en video, ville du mærke dens blærende varme, som kan overstige 100 °C. Sådan varme, et naturligt biprodukt af at sende elektroner gennem transistorer, kan hæmme ydeevnen og endda skade processoren i det lange løb. Traditionelt har ingeniører brugt simple kobberplader til at trække varmen væk, og ventilatorer eller væskebaserede kølesystemer. Men disse systemer er omfangsrige og kan tære på energi.
Chip nedkøling: Den termoelektriske køler vist ovenfor (guld firkant i midten) er fastgjort til en kobberplade, der bruges til at sprede varme væk fra hot spots på chips.
Nu har forskere ved Intel, RTI International i North Carolina og Arizona State University vist, at det er muligt at bygge et effektivt mikrokøleskab, der kan målrette mod hot spots på chips, spare strøm og plads og mere effektivt køle hele systemet. Deres arbejde viser også for første gang, at det er muligt at integrere termoelektrisk materiale i chipemballage, hvilket gør teknologien mere praktisk end nogensinde før. Et papir, der beskriver forskningen, er netop offentliggjort i Natur nanoteknologi .
Den grundlæggende teknologi, der bruges til at afkøle chippen, en termoelektrisk køler, er ikke ny, forklarer Rama Venkatasubramanian , senior forskningsdirektør ved Center for Solid State Energetics ved RTI International. I en Natur papir fra 2001, viste han og hans team, at et materiale kaldet et nanostruktureret tyndfilm-supergitter har overlegne termiske egenskaber i forhold til andre typer tynde termoelektriske materialer: supergitteret leder elektricitet godt, men hæmmer varmestrømmen. Når en elektrisk strøm glider gennem materialet, kan dets temperatur falde til omkring 55 °C.
Folk har talt om at bruge højeffektive termoelektriske materialer til afkøling af hot spots på chips i årevis, siger Intel-chef Ravi Prasher. Han siger, at en del af grunden til, at han og hans kolleger var i stand til at lykkes, er, at de brugte et materiale, der har vist exceptionelle termiske egenskaber, og de stolede på Intels viden om chippakning for at bygge et integreret termoelektrisk system, der var konstrueret til at passe ind i grænserne for en chips hus.
For at sætte mikrokøleskabet i chippakken integrerede ingeniørerne køleren på en firkant af kobber, ligesom den type, der allerede bruges i chipemballage til at sprede varme. Normalt er dette stykke kobber i tæt kontakt med chippen, men forskerne lægger den 0,4 millimeter kvadratiske køler ind mellem chippen og kobberet. Da mikrokøleskabet blev tændt, afkølede det et lokaliseret område på chippen med omkring 15 °C. Dette er væsentligt, siger Venkatasubramanian, for generelt set er der et markant fald i en chips pålidelighed og ydeevne for hver fem graders stigning i chiptemperaturen. I demonstrationen brugte forskerne kun én mikrokøleenhed, men forudser at bruge tre eller fire per chip til at dække de varmeste områder.
Ydeevnen var dog ikke engang tæt på den maksimale mængde af køling, som mikrokøleskabet er i stand til, når det ikke er begrænset til chiphuset. Vi har fundet gode resultater, siger Venkatasubramanian, men der er stadig mange udfordringer. Når ingeniører sætter køleren inde i pakken, er der en række ekstra kontaktpunkter, hvor køleren er forbundet med kobberpladen og emballageelektronik, siger han. Prasher forklarer, at disse kontakters termiske egenskaber spiller en væsentlig rolle i at reducere kølerens effektivitet: I sig selv er [reduktion af modstanden af termiske kontakter] et væsentligt forskningsområde. Folk udforsker forskellige typer loddemidler og endda kulstofnanorør for at reducere modstanden ved grænsefladen, siger han, men problemet skal stadig løses.
Uanset, Ali Shakouri , en professor i elektroteknik ved University of California, Santa Cruz, er imponeret over arbejdet indtil videre. Det er en god præstation, siger han. Ideen om, at der er en ujævn fordeling af temperatur i en mikroprocessor, og at man ved selektivt at afkøle bestemte steder kan gøre et bedre stykke arbejde og spare strøm, har eksisteret i et stykke tid, men det var ikke blevet demonstreret på en chip før .
Shakouri bemærker, at efterhånden som mikroprocessorindustrien bevæger sig i retning af at bruge flere kerner eller behandlingscentre på en chip, vil problemet med hot spots blive værre, fordi arbejdsbelastningen flyttes fra kerne til kerne, hvilket skaber mere forbigående hot spots. Fans, der bruges i mange computere i dag, reagerer ikke hurtigt eller effektivt. Hvis du selektivt kunne have mikrokøleskabe i hele en multicore-chip, siger han, kunne du sænke effekten og øge ydeevnen.
Forskerne har ikke en tidslinje for kommercialisering. Lige nu, selvom køleren kunne inkorporeres i traditionel chipemballage, ville den stadig være uoverkommelig dyr. Når alt kommer til alt, siger Venkatasubramanian, er tilføjelse af en køler i bund og grund at tilføje et helt nyt lag af elektronik til en chip. Han siger, at hvis omkostningerne og skalerbarheden af disse kølere kan løses, så er han overbevist om, at de vil finde et marked.