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Chips de enfriamiento con termoeléctricos
Si pudieras quitar las capas de circuitos de tu computadora y tocar el procesador principal mientras se está ejecutando un video, sentirías su calor abrasador, que puede superar los 100 ° C. Dicho calor, un subproducto natural del transporte de electrones a través de transistores, puede impedir el rendimiento e incluso dañar el procesador a largo plazo. Tradicionalmente, los ingenieros han utilizado placas de cobre simples para eliminar el calor y ventiladores o sistemas de enfriamiento a base de líquido. Pero estos sistemas son voluminosos y pueden consumir energía.
Enfriamiento de virutas: El enfriador termoeléctrico que se muestra arriba (cuadrado dorado central) está unido a una placa de cobre que se usa para esparcir el calor lejos de los puntos calientes en los chips.
Ahora, los investigadores de Intel, RTI International de Carolina del Norte y la Universidad Estatal de Arizona han demostrado que es posible construir un microrefrigerador eficiente que pueda apuntar a puntos calientes en chips, ahorrando energía y espacio, y enfriando de manera más efectiva todo el sistema. Su trabajo también demuestra, por primera vez, que es posible integrar material termoeléctrico en envases de chips, haciendo que la tecnología sea más práctica que nunca. Se acaba de publicar un artículo que detalla la investigación en Nanotecnología de la naturaleza .
La tecnología fundamental utilizada para enfriar el chip, un enfriador termoeléctrico, no es nueva, explica Rama Venkatasubramanian , director senior de investigación del Center for Solid State Energetics en RTI International. en un Naturaleza En un artículo de 2001, él y su equipo demostraron que un material llamado superrejilla nanoestructurada de película delgada tiene propiedades térmicas superiores a otros tipos de materiales termoeléctricos delgados: la superrejilla conduce bien la electricidad pero impide el flujo de calor. Cuando una corriente eléctrica atraviesa el material, su temperatura puede descender a unos 55 ° C.
La gente ha estado hablando sobre el uso de materiales termoeléctricos de alta eficiencia para enfriar puntos calientes en chips durante años, dice el gerente de Intel, Ravi Prasher. Él dice que parte de la razón por la que él y sus colegas pudieron tener éxito es porque usaron un material que ha mostrado propiedades térmicas excepcionales, y confiaron en el conocimiento de Intel sobre empaque de chips para construir un sistema termoeléctrico integrado que fue diseñado para encajar dentro del confines de la carcasa de un chip.
Para colocar el microrefrigerador en el paquete de chips, los ingenieros integraron el enfriador en un cuadrado de cobre, como el tipo que ya se usa en el empaque de chips para dispersar el calor. Por lo general, esta pieza de cobre está en contacto cercano con el chip, pero los investigadores colocaron el enfriador de 0.4 milímetros cuadrados entre el chip y el cobre. Cuando se encendió el microrefrigerador, enfrió una región localizada en el chip en aproximadamente 15 ° C. Esto es significativo, dice Venkatasubramanian, porque en términos generales, por cada aumento de cinco grados en la temperatura del chip, hay una marcada disminución en la confiabilidad y el rendimiento de un chip. En la demostración, los investigadores solo usaron una unidad de microrefrigeración, pero prevén usar tres o cuatro por chip, para cubrir las áreas más calientes.
Sin embargo, el rendimiento ni siquiera estuvo cerca de la cantidad máxima de enfriamiento que el microrefrigerador es capaz de hacer cuando no está confinado a la carcasa del chip. Hemos encontrado un buen desempeño, dice Venkatasubramanian, pero todavía hay muchos desafíos. Cuando los ingenieros colocan el enfriador dentro del paquete, hay varios puntos de contacto adicionales donde el enfriador está conectado a la placa de cobre y a los componentes electrónicos del empaque, dice. Prasher explica que las características térmicas de estos contactos juegan un papel importante en la reducción de la eficiencia del enfriador: por sí mismo, [reducir la resistencia de los contactos térmicos] es un área de investigación importante. La gente está explorando diferentes tipos de soldadura e incluso nanotubos de carbono para reducir la resistencia en la interfaz, dice, pero el problema aún debe resolverse.
Independientemente, Ali Shakouri , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California, Santa Cruz, está impresionado por el trabajo hasta ahora. Este es un buen logro, dice. La idea [de que] hay una distribución desigual de la temperatura en un microprocesador, y que al enfriar selectivamente ciertas ubicaciones se puede hacer un mejor trabajo y ahorrar energía, ha existido por un tiempo, pero no se había demostrado antes en un chip. .
Shakouri señala que a medida que la industria de los microprocesadores avanza hacia el uso de múltiples núcleos o centros de procesamiento en un chip, el problema de los puntos calientes empeorará, porque las cargas de trabajo se desplazan de un núcleo a otro, creando más puntos calientes transitorios. Los ventiladores, que se utilizan en muchas computadoras en la actualidad, no responden con rapidez ni eficacia. Si pudiera tener microrefrigeradores selectivamente en un chip multinúcleo, dice, podría reducir la potencia y aumentar el rendimiento.
Los investigadores no tienen un cronograma para la comercialización. En este momento, aunque el enfriador podría incorporarse en el empaque tradicional de chips, aún sería prohibitivamente costoso. Después de todo, dice Venkatasubramanian, agregar un enfriador es esencialmente agregar una capa completamente nueva de componentes electrónicos a un chip. Dice que si se pueden abordar el costo y la escalabilidad de estos refrigeradores, confía en que encontrarán un mercado.