Современные процессоры становятся все мощнее и при этом компактнее, из-за чего выделяют огромное количество тепла на очень маленькой площади. Актуальность проблемы отвода тепла возрастает. Чем меньше площадь, на которой выделяется тепло, и чем больше тепла приходится на эту площадь, тем быстрее нарастает температура.
Обычное охлаждение (например, обдув вентилятором) не успевает отводить энергию, устройство перегревается и со временем выходит из строя, поэтому одна из главных задач в современной электронике — охлаждать именно такие «горячие точки» как можно эффективнее.
Ученые из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН придумали, как охлаждать высокотемпературные интегральные микросхемы гораздо эффективнее, чем обдувом: создали гибридный теплообменник с водяным охлаждением, сочетающий преимущества микроканального и струйного охлаждения.
Вода в микроканалах не проводит ток и находится в герметичной медной пластине, прилегающей к чипу, что обеспечивает безопасность технологии, а специальный гидрофильный слой на стенках каналов предотвращает образование «сухих пятен» и поддерживает равномерную тонкую пленку для максимально эффективного охлаждения. При этом вода не просто циркулирует, а активно кипит, забирая при этом колоссальное количество тепловой энергии, так как на превращение в пар требуется в 20 раз больше энергии, чем при обычном нагреве.
Исследуемые в настоящее время микроканалы отлично отводят тепло, но при экстремально высоких тепловых потоках в них образуются паровые пробки и «сухие пятна», из-за чего наступает кризис кипения; в таком случае паровые пробки блокируют поток жидкости, на стенках образуются сухие участки, и охлаждение резко падает, в результате чего температура процессора неконтролируемо растет, и чип выходит 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», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН 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, объяснили в издании СО РАН «Наука в Сибири».
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.
Статья об исследовании опубликована в журнале «Известия вузов. Физика».
