Парадокс: Колкото по-горещо, толкова по-хладно: японците откриха начин да превърнат прегряването на чиповете в предимство
Основният зложелател на чиповете се трансформира в съдружник?
Специалисти от Института по индустриални науки към Токийския университет са основали неповторима система за изстудяване на компютърните чипове. Разработката им, разказана в списанието Cell Reports Physical Science, може да докара до гражданска война в електронната промишленост.
През последния половин век продуктивността на чиповете набъбна експоненциално с помощта на непрекъснатото понижаване на размера на транзисторите – главните детайли на всеки процесор. Тази наклонност бе видяна през 1965 година от Гордън Мур, един от създателите на Intel, когато той вижда, че броят на съставените елементи на един чип се удвоява на всеки две години. Впоследствие наблюденията му са употребявани за формулиране на закона на Мур.
Днес обаче по-нататъшната миниатюризация се сблъсква с съществена спънка: колкото по-плътно са ситуирани транзисторите, толкоз повече сила се отделя под формата на топлота на дребна повърхност. Съществуващите технологии към този момент не могат да се оправят с охлаждането на днешните процесори и това се трансформира в съществена спънка за основаването на по-мощни устройства.
Понастоящем инженерите разсейват непотребната топлота благодарение на микроскопични канали, преминаващи навътре в кристала. През тези тънки канали циркулира вода и когато влезе в контакт със загрятите елементи на чипа, лишава топлинната им сила. Този развой се реализира с помощта на главния закон на термодинамиката: топлината постоянно се предава от по-топлото тяло към по-студеното, като се стреми към отмерено систематизиране на силата. Този способ обаче има съществено ограничаване: всяка водна молекула може да поеме единствено несъмнено количество топлота, увеличавайки кинетичната си сила, което се показва в повишение температурата на течността.
Японски откриватели откриха по-ефективно решение. Те обърнаха внимание на физично събитие, познато на всички от врящия чайник: когато водата се трансформира в пара, тя гълтам голямо количество сила. Това е по този начин, тъй като за водните молекули не е елементарно да раздерат водородните връзки между тях и да преминат от течно в газообразно положение. По време на този фазов преход течността гълтам към седем пъти повече топлота, в сравнение с когато просто да се нагрее до точката на шупване. Физиците назовават тази спомагателна сила латентна топлота на изпарение.
Вече са правени опити за основаване на двуфазни системи за изстудяване, които употребяват както нагряването на течността, по този начин и нейното изпаряване. Съществува обаче една значима измама: по какъв начин дейно да се управлява потокът от мехурчета пара, получени при нагряването на течността. Тези мехурчета могат да се слеят в по-големи формирания, да нарушат циркулацията на хладилния сътрудник и да понижат успеваемостта на топлопреноса. За да се реализира оптимален топлообмен, беше належащо да се откри идеалната настройка на няколко параметъра по едно и също време: размер на канала, дебит, налягане в системата и систематизиране на температурата.
Специалистите от Токио създадоха комплициран тримерен дизайн: те комбинираха мрежа от микроканали със специфична геометрия с капилярни структури, които спомагат за равномерното систематизиране на течността с помощта на силите на незадълбочено напрежение. Допълнителен разпределителен пласт обезпечава оптимално подаване на хладилен сътрудник към всички детайли на системата.
Експериментите демонстрираха, че успеваемостта на цялата конструкция зависи от два основни детайла. Първият е формата и разположението на микроскопичните канали, през които се движи хладилният сътрудник. Вторият е архитектурата на разпределителната система, която обезпечава постоянен поток на течността.
Изграденият първообраз показва рекордна продуктивност. Съотношението сред потребния охлаждащ резултат и употребяваната сила доближи стойност 105 – това съществено надвишава характерностите на всички съществуващи аналози.
Особено скъпа е опцията за самостоятелна работа без спомагателни механизми. Процесът на топлообмен протича по натурален метод с помощта на конвекцията при фазовото превръщане на течността. Този принцип разрешава технологията да се ползва освен в региона на изчислителната техника, само че и в други области.
Новият способ може да се употребява в квантовите компютри, лазерните съоръжения, светлинните детектори и радарните системи. Интерес към тази иновация демонстрират и производителите на коли и аерокосмически апарати. Тъй като цифровите устройства с всяка минала година стават все по-компактни и мощни, ефикасното им изстудяване е от решаващо значение.
Учените означават също по този начин, че тяхното откритие ще способства за развиването на технологии, щадящи околната среда. В края на краищата способеното ръководство на генерирането на топлота приближава човечеството до значимата цел – цялостен отвод от източниците на въглеродни излъчвания.
