Tänapäeval on tiheda elektroonika soojus kallis ressurss. Selleks, et hoida süsteemi optimaalse arvutusliku jõudluse tagamiseks õigel temperatuuril, tarbib USA andmekeskuse jahutussüsteem sama palju energiat ja vett kui kõik Philadelphia elanikud. Nüüd, integreerides vedelad jahutuskanalid otse pooljuhtkiipidesse, loodavad teadlased vähendada seda kadu vähemalt elektrielektroonikas, muutes need väiksemaks, odavamaks ja vähem energiamahukaks.
Traditsiooniliselt on elektroonikaseadmed ja soojusjuhtimissüsteemid projekteeritud ja toodetud eraldi, ütleb Elison Matioli, Šveitsis Lausanne'is asuva Ecole Polytechnique'i elektrotehnika professor. See takistab oluliselt jahutustõhususe paranemist, kuna soojus peab enne eemaldamist läbima suhteliselt pikki vahemaid mitmes materjalis. Tänapäeva protsessorites kannavad näiteks kuuma materjali sifoonid soojust kiibist mahukatesse, õhkjahutusega vaskuimedesse.
Energiatõhusama lahenduse leidmiseks töötasid Matioli ja ta kolleegid välja odava protsessi, mis paneb mikrovedeliku jahutuskanalite 3D-võrgu otse pooljuhtkiibile. Vedelik eemaldab soojuse paremini kui õhk ja idee on hoida jahutusvedeliku mikromeeter kiibi kuumast kohast eemal.
Kuid erinevalt varem teatatud mikrovedeliku jahutusest ütles ta: "Me projekteerime elektroonika ja jahutussüsteemi algusest peale." Seega asub mikrokanal iga transistori seadme aktiivsest piirkonnast veidi allpool, kus see on kõrgeimal temperatuuril, mis suurendab jahutusvõimet 50 korda. Nad teatasid oma ühisest disainikontseptsioonist hiljutises loodusküsimuses.
Teadlased pakkusid mikrokanali jahutustehnoloogiat juba 1981. aastal ja sellised idufirmad nagu Cooligy on protsessorite ideed juba aastaid järginud. Kuid pooljuhtide tööstus liigub planaarseadmetelt kolmemõõtmelistele seadmetele ja mitmekihiliste struktuuridega tulevaste kiipide poole, muutes jahutuskanalid ebapraktiliseks. "See sisseehitatud jahutuslahendus ei sobi kaasaegsetele protsessoritele ja kiipidele nagu cpus," ütles TiweiWei, kes uurib elektroonilisi jahutuslahendusi Interuniversity Microelectronics Centeris ja KU Luuvenis Belgias. "Selle asemel on see jahutustehnoloogia elektrielektroonika jaoks kõige mõistlikum," ütles ta.
Elektrielektroonika ahelad haldavad ja muundavad elektrienergiat ning neid kasutatakse laialdaselt arvutites, andmekeskustes, päikesepaneelides ja elektrisõidukites. Nad kasutasid suure pindalaga diskreetseid seadmeid, mis olid valmistatud laiaribalistest pooljuhtidest, nagu galliumnitriid. Nende seadmete võimsustihedus on viimastel aastatel tõusnud, mis tähendab, et need peavad olema "ühendatud hiiglasliku radiaatoriga," ütles Matoli.
Viimasel ajal on elektrielektroonika moodulid nihkunud vedelikjahutusele kas külmplaadi või mikrokanali jahutussüsteemide kaudu. Kuid siiani on kõik mikrokanali jahutussüsteemid toodetud eraldi ja seejärel kombineeritud kiibiga. Sidumiskiht lisab kuumakindlust, kanalid ja vooluringi seadmed ei ole tihedalt joondatud.
"Me viisime selle järgmisele tasemele," ütleb Matoli, tehes samas kiibis seadmeid ja jahutuskanaleid. Nad söövitasid mikroni laiused praod räni substraadiga kaetud galliumnitriidi kihis. Pilu pikkus 30 μm, sügav 115 μm. Kasutades spetsiaalseid gaasi söövitamise tehnikaid, laiendavad nad räni aluspinna lünki, et moodustada kanaleid, mille kaudu vedel jahutusvedelik läbib.
Seejärel kasutasid teadlased vaske väikeste avade sulgemiseks galliumnitriidi kihtides ja neile seadmete ehitamiseks. "Meil on ainult mikrokanalid vahvli väikestes piirkondades, mis puutuvad kokku iga transistoriga," ütles ta. See muudab tehnoloogia palju tõhusamaks, sest me saame lähedalt palju soojust ammuda, kuid meie kasutatav pumpamisvõimsus on väga väike."
Demonstratsioonina ehitasid teadlased AC-DC rektifitseerimisahela, mis koosnes neljast Schottky dioodist, millest igaüks on võimeline käsitsema 1,2 kV pinget. Sellised vooluringid vajavad tavaliselt rusikasuuruses radiaatorit. Kuid vedela jahutussüsteemiga vooluahela kiip on paigaldatud USB-mäluseadme suurusele trükkplaadile. Trükkplaat koosneb kolmest kihist, millesse on nikerdatud kanalid, et jahutusvedelik kiibile toimetada.
Ekraan näitab, et kuumi kohti, mille võimsustihedus on üle 1700 vati ruutsentimeetri kohta, saab jahutada vaid 0,57 vatti ruutsentimeetri pumpamisvõimsuse kohta. See on 50-kordne jõudluse paranemine võrreldes varem teatatud mikrovedeliku kanali jahutusega.
"Galliumnitriidkilede ja vasetihendite usaldusväärsust tuleks aja jooksul uurida. Kuid see uuenduslik jahutuslahendus on suur samm odava, ülikompaktse ja energiatõhusa elektrielektroonika jahutussüsteemi suunas.