Чем горячее, тем холоднее: японцы нашли способ превратить перегрев чипов в преимущество

Специалисты из Института промышленных наук Токийского университета создали уникальную систему охлаждения для компьютерных чипов. Их разработка, описанная в журнале Cell Reports Physical Science , может произвести революцию в электронной промышленности.

За последние полвека производительность микросхем росла по экспоненте благодаря постоянному уменьшению размеров транзисторов – базовых элементов любого процессора. Эту тенденцию в 1965 году предсказал один из основателей компании Intel Гордон Мур, заметив, что количество компонентов на кристалле удваивается каждые два года. Впоследствии на основе его наблюдений сформулировали целый “закон Мура”.

Однако сегодня дальнейшая миниатюризация упирается в фундаментальный барьер: чем плотнее размещены транзисторы, тем больше энергии они выделяют в виде тепла на крошечной площади. Существующие технологии уже не справляются с охлаждением современных процессоров, и это становится главным препятствием для создания более мощных устройств.

В настоящее время инженеры отводят избыточное тепло с помощью микроскопических каналов, проложенных внутри кристалла. По этим тончайшим протокам циркулирует вода, которая, соприкасаясь с нагретыми участками микросхемы, забирает их тепловую энергию. Этот процесс происходит благодаря фундаментальному закону термодинамики: тепло всегда передаётся от более горячего тела к более холодному, стремясь к равномерному распределению энергии. Однако у такого метода есть серьёзное ограничение: каждая молекула воды способна поглотить лишь определённое количество тепла, повышая свою кинетическую энергию, что проявляется в росте температуры жидкости.

Японские исследователи нашли более действенное решение. Они обратили внимание на физическое явление, знакомое каждому по кипящему чайнику: когда вода превращается в пар, она поглощает колоссальное количество энергии. Это происходит потому, что молекулам воды не так уж просто разорвать водородные связи между собой и перейти из жидкого состояния в газообразное. При таком фазовом переходе жидкость поглощает примерно в семь раз больше тепла, чем при простом нагреве до точки кипения. Физики называют эту дополнительную энергию скрытой теплотой парообразования.

Попытки создать системы двухфазного охлаждения, использующие оба процесса – нагрев жидкости и её испарение, предпринимались и раньше. Однако мешала одна важная загвоздка: как эффективно управлять потоком пузырьков пара, образующихся при нагреве жидкости. Эти пузырьки могли объединяться в более крупные образования, нарушая циркуляцию хладагента и снижая эффективность теплообмена. Для максимальной теплопередачи требовалось найти идеальную конфигурацию сразу нескольких параметров: размера каналов, скорости потока, давления в системе и распределения температуры.

Токийские специалисты разработали сложную трёхмерную конструкцию: объединили сеть микроканалов особой геометрии с капиллярными структурами, которые помогают равномерно распределять жидкость за счёт сил поверхностного натяжения. Дополнительный распределительный слой обеспечивает оптимальную подачу хладагента во все участки системы.

Эксперименты показали, что производительность всей конструкции зависит от двух ключевых элементов. Первый – форма и расположение микроскопических протоков, по которым движется хладагент. Второй – архитектура распределительной системы, обеспечивающей равномерную подачу жидкости.

Созданный прототип продемонстрировал рекордные показатели эффективности. Соотношение между полезным охлаждающим эффектом и затраченной энергией достигло значения 105 – это кардинально превосходит характеристики всех существующих аналогов.

Особую ценность разработке придаёт возможность автономной работы без дополнительных механизмов. Процесс теплообмена происходит естественным путём за счёт конвекции при фазовых превращениях жидкости. Такой принцип позволяет применять технологию не только в вычислительной технике, но и в других областях.

Новый метод может найти применение в квантовых компьютерах, лазерных установках, детекторах света и радиолокационных системах. Автомобилестроители и производители авиакосмической техники также проявляют интерес к этой инновации. С каждым годом цифровые устройства становятся всё компактнее и мощнее, поэтому эффективное охлаждение - критически важный фактор.

Учёные также отмечают, что их изобретение внесет вклад в развитие экологичных технологий. Ведь грамотное управление тепловыделением приближает человечество к важной цели – полному отказу от источников углеродных выбросов.