تطبيق تكنولوجيا تبريد رقاقة Microchannel في محلول التبريد السائل
التبريد السائل هو مستقبل مراكز البيانات. لا يستطيع الهواء تحمل كثافة الطاقة التي تصل إلى قاعة البيانات، لذلك يتدفق إلى الاتصال سائل كثيف ذو قدرة حرارية عالية. ومع زيادة الكثافة الحرارية لمعدات تكنولوجيا المعلومات، يصبح السائل أقرب إليها. ولكن إلى أي مدى يمكن أن تقترب السوائل؟ من المقبول على نطاق واسع تشغيل نظام تدوير المياه من خلال الباب الخلفي لخزائن مركز البيانات. بعد ذلك، يستمر النظام في توزيع الماء على اللوحة الباردة على المكونات الساخنة بشكل خاص مثل وحدات معالجة الرسومات أو وحدات المعالجة المركزية. بالإضافة إلى ذلك، يقوم نظام الغمر بإغراق الحامل بالكامل في السائل العازل، بحيث يمكن لسائل التبريد أن يتلامس مع كل جزء من النظام. يقدم الموردون الرئيسيون الآن خوادم محسنة للانغماس.
في عام 1981، اقترح الباحثون ديفيد تاكرمان وRF Pease من جامعة ستانفورد حفر "قنوات صغيرة" صغيرة في المشتتات الحرارية لإزالة الحرارة بشكل أكثر فعالية. تتمتع القنوات الصغيرة بمساحة سطح أكبر ويمكنها إزالة الحرارة بشكل أكثر فعالية. يقترحون أن المشتتات الحرارية يمكن أن تصبح أحد مكونات شرائح VLSI، ويوضح عرضهم أن المشتتات الحرارية ذات القنوات الدقيقة يمكن أن تدعم تدفقًا حراريًا مثيرًا للإعجاب يبلغ 800 واط لكل متر مربع.
ومع تطور صناعة أشباه الموصلات ودخولها في هياكل ثلاثية الأبعاد، أصبحت فكرة التبريد والمعالجة المتكاملة أكثر عملية. بدءًا من الثمانينيات، حاول المصنعون تركيب مكونات متعددة على رقائق السيليكون. قد يكون إنشاء قنوات فوق شرائح السيليكون متعددة الطبقات طريقة سريعة ومثالية للتبريد، حيث يمكن أن تبدأ ببساطة عن طريق تنفيذ أخاديد صغيرة تشبه الزعانف على المشتت الحراري. لكن هذه الفكرة لم تحظ باهتمام كبير لأن موردي الرقائق يأملون في استخدام التكنولوجيا ثلاثية الأبعاد لتكديس المكونات النشطة. هذه الطريقة مقبولة الآن في الذاكرة عالية الكثافة، وتشير براءات اختراع Nvidia إلى أنه قد يكون المقصود منها تكديس وحدات معالجة الرسومات.
ظل الباحثون يعملون على حفر قنوات الموائع الدقيقة على سطح رقائق السيليكون لعدة سنوات. تعاون فريق من معهد جورجيا للتكنولوجيا مع شركة إنتل في عام 2015 ليكون أول من قام بتصنيع شريحة FPGA مع طبقة تبريد متكاملة ميكروفلويديك، تقع على بعد بضع مئات من الميكرومترات فقط من مكان عمل الترانزستور على السيليكون. وقال البروفيسور مهند باكير، قائد الفريق في معهد جورجيا للتكنولوجيا، في بيان صحفي: "لقد قمنا بإزالة المشتت الحراري الموجود في الجزء العلوي من شريحة السيليكون عن طريق تبريد السائل على بعد بضع مئات من الميكرومترات فقط من الترانزستور". نحن نؤمن بأن دمج تبريد الموائع الدقيقة بشكل مباشر وموثوق في السيليكون سيصبح تقنية مدمرة للجيل القادم من المنتجات الإلكترونية.
تم تصميم شبكة ثلاثية الأبعاد من قنوات التبريد الدقيقة داخل الشريحة، وتقع على بعد بضعة ميكرومترات فقط أسفل الجزء النشط من كل جهاز ترانزستور، حيث يتم توليد الحرارة. يمكن لهذه الطريقة تحسين أداء التبريد بمقدار 50 مرة. تنقل القنوات الدقيقة السوائل مباشرة إلى النقاط الساخنة وتتعامل مع كثافة طاقة مذهلة تبلغ 1.7 كيلووات لكل سنتيمتر مربع. وهذا يعادل 17 ميجاوات لكل متر مربع، وهو ما يعادل عدة أضعاف التدفق الحراري الحالي لوحدة معالجة الرسومات.
إن صعوبة تبديد الحرارة تعني أن أكبر الرقائق اليوم لا يمكنها استخدام جميع الترانزستورات في وقت واحد، وإلا فإنها سوف ترتفع درجة حرارتها. يمكن أن يؤدي تطبيق ميكروفلويديك إلى تحسين أداء الرقاقة وكفاءتها. من الممكن تشغيل مراكز البيانات بكفاءة أكبر دون الحاجة إلى أنظمة تبريد كثيفة الاستهلاك للطاقة.
