Primjena tehnologije mikrokanalnog hlađenja čipova u tekućinskom rashladnom rješenju

Hlađenje tekućinom je budućnost podatkovnih centara. Zrak ne može podnijeti gustoću snage koja dopire do podatkovne dvorane, tako da gusta tekućina visokog toplinskog kapaciteta teče u vezu. Kako se gustoća topline IT opreme povećava, tekućina joj se približava. Ali koliko se tekućine mogu približiti? Široko je prihvaćeno upravljanje sustavom cirkulacije vode kroz stražnja vrata ormara podatkovnog centra. Zatim, sustav nastavlja cirkulirati vodu do hladne ploče na posebno vrućim komponentama kao što su GPU ili CPU. Osim toga, sustav uranjanja uranja cijeli stalak u dielektričnu tekućinu, tako da rashladno sredstvo može doći u kontakt sa svakim dijelom sustava. Glavni dobavljači sada nude poslužitelje optimizirane za uranjanje.

Godine 1981. istraživači David Tuckerman i RF Pease sa Sveučilišta Stanford predložili su urezivanje sićušnih "mikrokanala" u hladnjake radi učinkovitijeg uklanjanja topline. Mali kanali imaju veću površinu i mogu učinkovitije odvoditi toplinu. Predlažu da hladnjaki mogu postati sastavni dio VLSI čipova, a njihova demonstracija pokazuje da mikrokanalni hladnjaki mogu podržati impresivan toplinski tok od 800 W po kvadratnom metru.

S razvojem proizvodnje poluvodiča i njezinim ulaskom u trodimenzionalne strukture, ideja integriranog hlađenja i obrade postala je praktičnija. Počevši od 1980-ih, proizvođači su pokušali preklopiti više komponenti na silikonske čipove. Stvaranje kanala na vrhu višeslojnih silikonskih čipova može biti brza i optimalna metoda za hlađenje, jer može započeti jednostavnom implementacijom malih utora sličnih rebrima na hladnjaku. Ali ova ideja nije dobila mnogo pažnje jer se dobavljači čipova nadaju da će koristiti 3D tehnologiju za slaganje aktivnih komponenti. Ovu metodu sada prihvaća memorija visoke gustoće, a Nvidijini patenti pokazuju da bi mogla biti namijenjena za slaganje GPU-a.

Istraživači već nekoliko godina rade na urezivanju mikrofluidnih kanala na površini silicijskih čipova. Tim s Georgia Institute of Technology surađivao je s Intelom 2015. kako bi potencijalno bio prvi koji će proizvesti FPGA čip s integriranim mikrofluidnim rashladnim slojem, koji se nalazi samo nekoliko stotina mikrometara od mjesta gdje tranzistor radi na siliciju. "Uklonili smo hladnjak na vrhu silicijskog čipa hlađenjem tekućine samo nekoliko stotina mikrometara od tranzistora", rekao je profesor Muhannad Bakir, voditelj tima na Georgia Institute of Technology, u priopćenju za javnost. Vjerujemo da će izravno i pouzdano integriranje mikrofluidnog hlađenja u silicij postati revolucionarna tehnologija za sljedeću generaciju elektroničkih proizvoda.

Unutar čipa dizajnirana je 3D mreža mikrofluidnih rashladnih kanala, smještenih samo nekoliko mikrometara ispod aktivnog dijela svakog tranzistorskog uređaja, odakle se stvara toplina. Ova metoda može poboljšati učinak hlađenja za 50 puta. Mikrokanali prenose tekućine izravno do vrućih točaka i podnose nevjerojatnu gustoću snage od 1,7 kW po kvadratnom centimetru. To je ekvivalentno 17 MW po kvadratnom metru, što je nekoliko puta više od trenutnog toplinskog toka GPU-a.

Poteškoće s raspršivanjem topline znači da najveći današnji čipovi ne mogu koristiti sve tranzistore odjednom, inače će se pregrijati. Primjena mikrofluidike može poboljšati performanse i učinkovitost čipa. Moguće je učinkovitije upravljati podatkovnim centrima bez potrebe za energetski intenzivnim rashladnim sustavima.