Novi sustav za hlađenje računala mogao bi ubrzati tempo inovacija

Švicarski tim osmislio je sićušne kanaliće u mikročipovima ispunjene tekućinom radi učinkovitijeg odvođenja topline i uštede energije

Gordon Moore, suosnivač Intela, prognozirao je 1965. da će snaga računala eksponencijalno rasti i istovremeno cijena računala padati. Desetljećima se pokazalo točnim ono što je kasnije postalo poznato pod nazivom Mooreov zakon, jer se snaga mikročipova otprilike udvostručila, a cijene padaju svakih nekoliko godina. No kako se snaga eksponencijalno povećavala, tako se povećavala i toplina proizvedena milijardama tranzistora spakiranih na vrh čipa veličine nokta.

Prolazeći kroz čipove, električna energija nailazi na otpor i to stvara toplinu. Više čipova znači povećanje temperature, što prijeti rastu računalne snage, jer, kako se zagrijavaju, čipovima se smanjuje učinkovitost, te se na kraju kvare. Tu je i trošak ekološkog zbrinjavanja čipova. Ti čipovi i njihovo hlađenje proždiru snagu s nezasitnom glađu. Podatkovni centri koriste otprilike jedan posto svjetske električne energije. Samo u Sjedinjenim Državama troše električnu energiju i vodu za hlađenje približno jednaku onoj koju potroši grad Philadelphia za godinu dana.

Ali sada su švicarski istraživači u časopisu Nature objavili studiju koja rješava problem hlađenja. "Podatkovni centri troše ogromnu količinu energije i vode za hlađenje, a kako su nam sve potrebniji, ta će se potrošnja samo povećavati", kaže Elison Matioli, autorica studije i profesorica na Institutu za elektrotehniku na federalnoj politehničkoj školi u Lozani ( EPFL). Pronalaženje načina kako riješiti problem odvođenja topline i bolje iskoristiti energiju je presudna stvar.

Prethodni pokušaji hlađenja mikročipova su se oslanjali na metalne konstrukcije, često u kombinaciji s ventilatorima, koji su odvodili toplinu i djelovali poput ispušnog ventila. Neki se podatkovni centri oslanjaju na tekućinu za hlađenje koja prolazi kroz servere i odvodi toplinu. Ali ti su sustavi dizajnirani i proizvedeni odvojeno, a zatim se nadograđuju u sustave koji koriste čipove. Matioli i njegov tim su osmislili i konstruirali čipove koji u sebi imaju ugrađene sustave za hlađenje tekućinom. Novi dizajn obuhvaća rashladne elemente integrirane u poluvodiče kroz sustav mikrokanala koji zatim odvode toplinu istovremeno štedeći energiju i ublažavajući ekološke probleme.

Njihov bi rad također mogao imati važne primjene u elektrificiranoj budućnosti, pomažući u uklanjanju problema s toplinom i smanjujući veličinu pretvarača snage na automobilima, solarnim pločama i drugoj elektronici. "Predložena tehnologija trebala bi omogućiti daljnju minijaturizaciju elektronike, potencijalno proširujući Mooreov zakon i uvelike smanjujući potrošnju energije za hlađenje elektronike", pišu oni.

Toplina proizvedena čipovima u elektronici bila je problem još 1980-ih, prema Yogendri Joshi, profesorici inženjerstva u Georgia Techu, koja nije bila dio studije. Rani mikroprocesori poput Intelove prve središnje procesne jedinice objavljene 1971. nisu stvorili dovoljno topline da zahtijevaju hlađenje. Do 1990-ih, ventilatori i hladnjaci integrirani su u gotovo sve središnje procesne jedinice - fizičko srce računala koje uključuje memoriju i računske komponente - jer je povećana snaga stvarala povećanu toplinu. No, oslanjanje na metalne hladnjake koji odvode toplinu i odvode je kroz zrak povećava temperaturu cijelog uređaja i stvara petlju koja samo stvara više topline. "Elektronika obično ne radi dobro kad je vruće", dodaje Matioli. "Dakle, na neki način smanjujete učinkovitost cijele elektronike, što završava zagrijavanjem čipa."

Istraživači su istraživali mikrofluidiku, znanost o kontroli tekućina u malim kanalima, još ranih 1990-ih. Napori su se povećali nakon što se Agencija za napredne istraživačke projekte obrambenog ministarstva obrane (DARPA) prvi put zainteresirala za tu tehnologiju krajem 1990-ih, ali se počela sve više zanimati 2008. godine, jer se broj tranzistora za proizvodnju topline na mikroprocesorskom čipu povećao na tisuće na milijarde. Joshi procjenjuje da je agencija potrošila 100 milijuna dolara na istraživanje, uključujući financiranje programa ICECool u tvrtkama IBM i Georgia Tech, počevši od 2012. godine.

Tijekom godina, znanstvenici su istraživali kako ugrađivanje tekućinskog hlađenja u čipove može poboljšati njihovu učinkovitost, a pritom su razvijena tri glavna pristupa. Prva dva pristupa nisu omogućila izravan kontakt rashladne tekućine s čipom. U prvom, korištena je hladna ploča s mikrofluidnim kanalima za hlađenje čipova. Drugi je uklonio poklopac čipa i upotrijebio poseban sloj materijala na stražnjoj strani čipa za prijenos topline na ploču hlađenu tekućinom. Treći pristup, koji istražuje Matioli sa svojim timom, omogućuje izravan kontakt rashladne tekućine s čipom, čime se znatno poboljšava učinkovitost hlađenja.

Matioli je nadogradio rad Joshija i njegovih kolega. Godine 2015., Joshi i njegov tim pokazali su kako rezanje kanala za tekućinu izravno u integrirane sklopove može smanjiti temperature za 60 posto u odnosu na hlađenje zrakom. "Tehnologija hlađenja bit će apsolutno ključna, a korištenje tekućina osim zraka ključni je dio smanjenja velikih količina topline koje proizvode računala," objašnjava Joshi. "Najbolje je da rashladna tekućina bude što bliže izvoru topline. Što je udaljenija, to je manje učinkovita."

To je ono što je Matiolijevo istraživanje donijelo. Kako bi testirali svoj koncept, tim je osmislio vodeno hlađene čipove, pretvarajući izmjeničnu struju (AC) u istosmjernu struju (DC) integrirajući mikrokanale ispunjene vodom u isti poluvodički materijal. Umjesto silicija, koristili su galijev nitrid, što je omogućilo puno manju veličinu i veću učinkovitost u usporedbi sa standardnim silicijskim čipovima. Prema njihovom radu, rezultat je bio rashladna snaga do 50 puta veća od klasičnih dizajna.

Glavni izazov bio je razviti novi način izrade čipova kako bi se kanali za tekućinu, veličine od 20 mikrona (širina ljudske stanice kože) do 100 mikrona, smjestili što bliže izvoru topline – elektronici. Dodatno, veće kanale na stražnjoj strani čipa dodali su kako bi smanjili tlak potreban za protok tekućine. "To funkcionira poput našeg tijela," objašnjava Matioli. "Imamo velike arterije i male kapilare, i upravo na taj način tijelo minimizira tlak potreban za cirkulaciju krvi."

Tehnologija hlađenja ima potencijal revolucionirati energetsku elektroniku, postajući ključni dio pretvarača energije – od najmanjih uređaja do električnih automobila. Pretvarač koji je razvio Matiolijev tim proizvodio je više od tri puta više energije od standardnog punjača za laptop, a bio je veličine USB sticka. "To je poput evolucije računala," kaže Matioli. "Nekad su zauzimala cijelu sobu, a sada stanu u džep. Sada možemo zamisliti slično za energetsku elektroniku, u primjenama od napajanja i električnih vozila do solarnih invertera i svih drugih energetskih rješenja." Dodaje: "Ova tehnologija otvara bezbroj novih mogućnosti."

Matiolijev tim već je privukao zanimanje proizvođača, iako nije želio otkriti previše detalja. Joshi, međutim, naglašava da je ovo tek početak. "Ostaje još mnogo posla kako bi se ovaj pristup mogao skalirati i implementirati u stvarne proizvode."

U svom komentaru na rad objavljen u časopisu Nature, Tiwei Wei, istraživač sa Stanforda koji nije bio uključen u studiju, složio se da postoje izazovi u implementaciji dizajna. To uključuje provjeru dugotrajnosti sloja galijevog nitrida i rješavanje mogućih problema u proizvodnji. No, Wei također ističe: "Ovo je veliki korak prema jeftinim, ultra-kompaktnim i energetski učinkovitim sustavima hlađenja za elektroničke uređaje."