Цюрих, Швейцария: В лабораториях IBM тонкие струйки воды охлаждают компьютерные чипы, разработанные поставленными "друг на друга". Таким образом IBM обещает подтверждать закон Мура еще в течение ближайших десяти лет и радикальным образом уменьшить потребление энергии центрами обработки данных.

Исследователи совместно с институтом Fraunhofer в Берлине продемонстрировали прототип с интегрированной в него системой охлаждения, направляющей воду напрямую между слоями чипов внутри корпуса.

Эти так называемые "3D-стеки" совмещают чипы и устройства памяти (которые традиционно находятся рядом) на кремниевой подложке в установленном друг на друга виде, представляя таким образом наиболее многообещающий подход к увеличению производительности чипов за пределы предсказанных ограничений.

Технология является продолжением разработок IBM в области чип-стэков, представленных год назад. Она уменьшает в 1000 раз дистанцию которую необходимо "пройти" информации и позволяет построить дополнительное количество каналов или "путей" в 100 раз большее по сравнению с традиционными 2D чипами.

"Так как чипы расположены друг над другом, что существенно увеличивает скоростные возможности процессоров, мы обнаружили что традиционные кулеры, крепящиеся сверху чипов не имеют достаточных возможностей охлаждения. Для того, чтобы раскрыть потенциал высокопроизводительных 3D стэков, нам нужно межслойное охлаждение", объясняет Томас Брунчвилер (Thomas Brunschwiler), руководитель проекта в Цюриховской лаборатории IBM. "До текущего момента никто не смог продемонстрировать работающие решения этой проблемы."

3D стэки чипов имели бы общее тепловыделение близкое к 1КВт - в 10 раз больше чем электрическая плитка - с поверхностью всего в 4 кв. сантиметра и толщиной 1 мм. Более того, каждый новый слой создает дополнительной барьер к выведению тепла.

Брунчвилер и его команда запустили водяные трубки толщиной в человеческий волос (50микрон) между слоями чипов для того чтобы эффективно отводить тепло прямо от его источника. Используя отличные термофизические характеристики воды, ученые продемонстрировали результирующее охлаждение до 180Вт/кв. см на каждый слой для стэка с типичным размером в 4 кв. см.

"Это настоящий прорыв. С классичкой системой охлаждения расположенной сверху чипа, составление стэка из двух или более высокомощных плотных слоев логики было бы невозможным," - сказал Бруно Майкл, менеджер отдела охлаждения чипов в лаборатории IBM в Цюрихе.

Технологические Спецификации

В этих экспериментах ученые подавали воду через тестовое устройство 1х1 см размером, состоящее из охлаждающих слоев между тепловыми источниками. Размеры охлаждающего слоя составляли всего лишь около 100 микрон в высоту, а количество вертикальных соединений было 10 000 на кв. сантиметр.

Команда преодолела ключевую техническую сложность, состоящую в разработке такой системы, которая, максимизируя водяной поток через слои, является герметичной, предотвращая электрические замыкания. Сложность такой системы имеет сходство с человеческим мозгом, где миллионы нервов и нейронов для передачи сигналов смешиваеются но не взаимодействуют с десятками тысяч кровянных каппиляров, находящихся в том же объеме, для питания и охлаждения источников энергии.

Немаловажно что производство индивидуальных слоев было осуществлено существующими методами, за исключением тех, которые нужны для вытравки и сверления отверстий для передачи сигналов с одного уровня на другой. Чтобы изолировать эти "нервы" ученые оставили кремниевую стену вокруг каждого соединения и добавили тонкий слой оксида кремния для изоляции электрических соединений от воды. Такие структуры должны производиться с точностью в 10 микрон, в 10 раз точнее чем соединения и металлизации в существующих чипах.

Чтобы собрать индивидуальные слои вместе, Брунчвилер с коллегами из Франгоферского Института разработали изощреннуую тонко-пленочную технику спайки. Используя эту технику, ученые достигли высокого качества, точности и надежности, необходимых для отличного охлаждения контактов без замыканий. В финальной стадии, собранный стэк помещается в кремниевый охлаждающий контейнер похожий на миниатюрный бассейн. Вода подается в контейнер с одной стороны и, протекая между слоями, выходит с другой.

Используя моделирование, ученые эктраполировали экспериментальные результаты тестового устройства на чиповый стэк размером 4 кв. см и достигли результирующего охлаждения в 180Вт/кв. см.

Теперь Брунчвилер со своей командой работают над оптимизацией охлаждающей системы для еще меньших размеров чипов и еще большего количества соединений. Они также проводят исследования дополнительных сложных структур для охлаждения хотспотов.

Инновационное охлаждение чипов в IBM Research

Недавнее продвижение - это часть амбициозных усилий IBM в разработке охлаждающих технологий, позволяющих повторное использование тепла, создаваемого датацентрами, благодаря забору воды из наиболее горячих мест и подачи ее в отопительную или водяную систему здания. Анонсированный результат отмечает важный шаг вперед, достигнутый благодаря подаче воды в наиболее горячие места чипа где охлаждение является критичным.

Эти результаты были впервые представлены в работе названной "Принудительное конвективное межслойное охлаждение в вертикально-интегрированных упаковках" на конференции IEEE ITherm в Орландо, Флорида, где получили награду "Лучшая Работа". Таким образом команда разработки термальной упаковки лаборатории IBM в Цюрихе награждается 3-ий год подряд за их инновации в охлаждении электроники на лидирующий в этой области конференции.

Перенимая концепции эффективности у природы и комбинируя их с продолжительным опытом в отводе тепла и массы на микро-уровне, в дополнение к своим техникам микропроизводства, исследователи IBM разработали новый вид крайне эффективных технологий охлаждения чипов, которые могут разрешить проблему охлаждения для новых поколений высокопроизводительных эффективных чипов.
------------------------------------------------------------------------------------------

Для нас в этой истории наиболее значимой является в первую очередь тенденция и направление развития охлаждающих технологий будущего. Одно из возможных направлений - это СВО - системы водяного охлаждения. Они имеют ряд существенных недостатков - протечки, сложность обслуживания и потенциальная угроза замыкания. Однако новые технологии ведущих лидеров отрасли позволяют на корню изменить наше представления о водяном охлаждении, в том числе для компьютеров без шума. Мы продолжаем следить за развитием соответствующих систем.

Данная система охлаждения, весящая внушительные 670 г, состоит из набора медных тепловых трубок, проходящих через медное же основание кулера и множества алюминиевых ребер оптимизированной формы. Венчает эту конструкцию 120-мм вентилятор, обороты которого регулируются в зависимости от температуры процессора от 1100 до 1800 оборотов. К сожалению, несмотря на свой большой размер, кулер не отличается приемлемой акустической характеристикой: на полной скорости пропеллер "жужжит" аж на 31,5 дБ, однако на минимальной скорости шум составляет всего 19,5 дБ. Что ж, на наш взгляд этот кулер с отличной производительностью (производитель заявляет, что кулер способен рассеять до 150 Вт тепла) вполне может найти свою аудиторию, например, среди геймеров, которым не очень важно, какой шум производит система во время максимальной нагрузки (игры). А вот людям, которые, к примеру, занимаются обработкой видео и предпочитают заниматься этим в тишине, данный продукт явно противопоказан. Напоследок хотелось бы заметить, что наши компьютеры отличаются практически бесшумной работой в любых режимах.