Сибирские ученые разработали новую технологию охлаждения процессоров
Ученые из Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН придумали, как охлаждать высокотемпературные интегральные микросхемы гораздо эффективнее, чем обдувом. Они создали гибридный теплообменник с водяным охлаждением, сочетающий преимущества микроканального и струйного охлаждения.
По словам исследователей, вода в микроканалах не проводит электрический ток и заключена в герметичной медной пластине, прилегающей к чипу. Это обеспечивает безопасность технологии. Специальный гидрофильный слой на стенках каналов предотвращает появление «сухих пятен» и помогает поддерживать равномерную тонкую плёнку для эффективного охлаждения. Вода в этих каналах не просто циркулирует, но и активно кипит, поглощая огромное количество тепловой энергии. Превращение воды в пар требует в 20 раз больше энергии, чем её обычное нагревание.
В настоящее время исследуемые микроканалы эффективно отводят тепло. Однако при чрезвычайно высоких тепловых потоках в них возникают паровые пробки и «сухие пятна», что приводит к кризису кипения. В такой ситуации паровые пробки блокируют движение жидкости, на стенках образуются сухие зоны, и эффективность охлаждения резко снижается. В результате температура процессора неуправляемо возрастает, что может привести к выходу чипа из строя.
«В системе параллельных одинаковых каналов течет жидкость, в каждом канале одинаковый перепад давления. А теперь представьте, что происходит кипение, это достаточно случайный процесс, и пузырьки неодинаковым образом возникают в разных местах. Объемное газосодержание в момент времени в каждом канале получается разным. Раз оно разное, значит, сопротивление у каждого канала неодинаковое, и через один канал начинает идти больше жидкости, а через другой меньше. Возникает неустойчивость течения», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Алишер Шамирзаев.
Микроструи решают эту проблему: жидкость подается через специальные микроотверстия и в виде тонких струй направляется на поверхность, смывая пар и постоянно поднося свежую жидкость к «горячим точкам». Так, микроканалы отвечают за энергоэффективный отвод тепла через кипение, а микроструи — за локальную борьбу с перегревом и предотвращение кризиса.
Благодаря инновационным разработкам ИТ СО РАН, включающим использование микроканалов и применение микроструй для охлаждения процессоров и серверов, производители смогут создавать более мощные устройства без риска перегрева. При этом новые устройства будут компактнее и экономичнее существующих моделей с массивными радиаторами и вентиляторами.
