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.