Mikrokanalbrikkekjøleteknologi

Væskekjøling er fremtiden til datasentre. Luften kan ikke håndtere effekttettheten som når datahallen, så en tett væske med høy termisk kapasitet strømmer inn i forbindelsen. Ettersom varmetettheten til IT-utstyr øker, kommer væsken nærmere det. Men hvor langt kan væsker komme nær? Det er allment akseptert å betjene et vannsirkulasjonssystem gjennom bakdøren til datasenterskap. Deretter fortsetter systemet å sirkulere vann til det kalde styret på spesielt varme komponenter som GPUer eller CPUer. I tillegg senker nedsenkingssystemet hele stativet ned i den dielektriske væsken, slik at kjølevæsken kan komme i kontakt med alle deler av systemet. Hovedleverandørene tilbyr nå servere optimalisert for nedsenking.

I 1981 foreslo forskerne David Tuckerman og RF Pease fra Stanford University å etse små "mikrokanaler" inn i varmeavledere for å fjerne varme mer effektivt. Små kanaler har større overflate og kan mer effektivt fjerne varme. De antyder at kjøleribber kan bli en komponent i VLSI-brikker, og demonstrasjonen deres viser at mikrokanals kjøleribber kan støtte en imponerende varmestrøm på 800W per kvadratmeter.

Med utviklingen av halvlederproduksjon og dens inntreden i tredimensjonale strukturer, har ideen om integrert kjøling og prosessering blitt mer praktisk. Fra 1980-tallet forsøkte produsenter å overlegge flere komponenter på silisiumbrikker. Å lage kanaler på toppen av flerlags silisiumbrikker kan være en rask og optimal metode for kjøling, da det kan starte med å implementere små spor som ligner på finner på en kjøleribbe. Men denne ideen har ikke fått mye oppmerksomhet fordi chipleverandører håper å bruke 3D-teknologi for å stable aktive komponenter. Denne metoden er nå akseptert av minne med høy tetthet, og Nvidia-patenter indikerer at den kan være ment å stable GPUer.

Forskere har jobbet med å etse mikrofluidiske kanaler på overflaten av silisiumbrikker i flere år. Et team fra Georgia Institute of Technology samarbeidet med Intel i 2015 for å potensielt være de første til å produsere en FPGA-brikke med et integrert mikrofluidisk kjølelag, plassert bare noen hundre mikrometer unna der transistoren fungerer på silisium. – Vi eliminerte kjøleribben på toppen av silisiumbrikken ved å avkjøle væsken bare noen hundre mikrometer unna transistoren, sier professor Muhannad Bakir, teamleder ved Georgia Institute of Technology, i en pressemelding. Vi tror at integrering av mikrofluidisk kjøling direkte og pålitelig i silisium vil bli en forstyrrende teknologi for neste generasjon elektroniske produkter.

Et 3D-nettverk av mikrofluidiske kjølekanaler er designet inne i brikken, plassert bare noen få mikrometer under den aktive delen av hver transistorenhet, hvorfra varme genereres. Denne metoden kan forbedre kjøleytelsen med 50 ganger. Mikrokanaler transporterer væsker direkte til hotspots og håndterer en forbløffende effekttetthet på 1,7 kW per kvadratcentimeter. Dette tilsvarer 17MW per kvadratmeter, som er flere ganger dagens GPU-varmefluks.

Vanskeligheten med varmespredning gjør at de største brikkene i dag ikke kan bruke alle transistorer samtidig, ellers vil de overopphetes. Bruken av mikrofluidikk kan forbedre chipytelsen og effektiviteten. Det er mulig å drive datasentre mer effektivt uten behov for energikrevende kjøleanlegg.