По мере того, как компьютерные микросхемы (чипы) становятся мощнее, они, естественно выделяют больше тепла. Почти вся мощность, потребляемая микросхемой, впоследствие выделяется в виде тепла, которое нагревает сам чип и соседние элементы компьютера, что существенно влияет на работоспособность электроники. Методы охлаждения транзисторов всегда были и есть одной из основных проблем полупроводниковой промышленности, но лишь в последние годы исследователи разработали новые, эффективные подходы к охлаждению чипов.

Одним из способов поддержания микросхем в рамках рабочих температур является метод использования термоэлектрических холодильников на микросхемах, который был впервые разработан и продемонстрирован командой разработчиков, состоявшей из физиков Университета штата Аризона в Темпе (Arizona State University in Tempe) и нескольких компаний, в том числе Intel, RTI International и Nextreme Thermal Solutions.

Материалы и результаты разработки были на днях опубликованы в интернет-журнале Nature Nanotechnology (Chowdhury, Ihtesham, et al. «On-chip cooling by superlattice-based thin-film thermoelectrics.» Nature Nanotechnology. Published online: 25 January 2009 | doi:10.1038/nnano.2008.417). Исследователи разработали встроенный в чип термоэлектрический чиллер (охладитель), который откачивает тепло от микросхемы, когда поток проходит через нее. Подобный чиллер может охладить локальный участок большой микросхемы на 15оС, что превышает теоретическую цель в 10оС, обоснованную аналитиками Университета штата Мэриленд (University of Maryland) пять лет назад.

Одной из ключевых особенностей разработки является то, что исследователи поставили своей задачей не охлаждение чипа как такового, а охлаждение самых нагретых его участков, что судя по всему является более энергосберегающей стратегией, чем попытка охлаждения всего чипа. Другой особенностью нового устройства является то, что разработчики изготовили его из слоев материала нано размерной толщины, что, как это было показано ранее, повышает эффективность.

Нано охладитель состоит из структуры термоэлектрической сверхрешетки, изготовленной из висмута, теллура, сурьмы и селена. Эта структура производит очень важную операцию перекачивания тепла с задней поверхности чипа в обычный распределитель теплового потока, расположенный на передней поверхности чипа, который, в свою очередь, конвективным путем перемещает тепловые массы, охлаждая микросхему.

В эксперименте на некоторых участках микросхем создавали горячие точки разогревом до высокой температуры с помощью тепловых потоков мощностью 1300 Вт/см2, что много выше, чем в обычных условиях работы микропроцессора. Даже еще до того, как на термоэлектрическую сверхрешетку подавали питание, чиллер охлаждал температуру в горячей точке примерно не 6 градусов. После подачи питания на термоэлектрическую систему, температура горячей точки падала на 15 градусов Цельсия.

Термоэлектрический нано чиллер (Фотография: stanislav matyashov/istockphoto)

По мнению разработчиков, подобные термоэлектрические устройства могут стать основой для охлаждения компьютеров в информационных центрах, где повышенная температура микросхем может существенно снижать работоспособность больших компьютеров. Как известно, транзисторы работают быстрее при охлаждении, и их ресурс при этом увеличивается, поскольку экстремальные температурные перепады вызывают механические напряжения в компьютерних чипах, что может привести к выходу из строя. Термоэлектрические охладители могут сыграть существенную роль и в портативных системах, таких. как смартфоны, которые часто работают в режиме обработки массивов информации.

По мнению представителей фирмы Intel большим достижением группы стала не только собственно разработка нано охладителя, но и его размещение внутри более более крупной системы. Тем не менее, группе предстоит сделать еще немало, прежде чем разработка нано охладителя дойдет до производства.

Евгений Биргер