در جهان ريزمقياس، ذرات همواره در حال گرم‌تر شدن هستند. در این خبر جدید فناوریهای نوین، از روشهایی فیزیکی برای خنک کردن تراشه هایی میخوانید که کاربردهای بسیار در علوم و فنون روز دارند.
در دنياي الکترونيک همواره با‌اين اخطار مواجه هستيم که اگر تعداد ترانزيستورها بيشتر شود، فرکانس بالاتر و در نتيجه گرماي بيشتري توليد مي‌شود. در طول سال‌هاي متمادي، سازندگان تراشه‌هاي الکتروني از روش‌هاي مختلفي براي پراکنده ساختن گرماي اضافي توليد شده استفاده کرده اند، مانند قرار دادن ريزپردازنده‌هاي چندگانه بر روي يک تراشه.
اما گرما همچنان قدرت تراشه‌هاي الکتروني را سرکوب مي‌کند. امروزه چگالي توان نقاط داغي که روي پردازنده‌هاي شکل مي‌گيرند، به يک کيلووات بر سانتي متر مربع مي‌رسد. اين مقدار بسيار بيشتر از حرارت داخل نازل يک موشک است. از طرف ديگر ما در اين زمان بيش از هر زمان ديگري ترانزيستورهاي مختلف را روي پردازنده‌هاي پيشرفته جانشاني مي‌کنيم که اين خود موجب افزايش حرارت توليد شده در تراشه مي‌شود. آورام بارکوهن (Avram Bar-Cohen)،يکي از مديران برنامه در دفتر فناوري سيستم‌هاي ريزمقياس (DARPA) مي‌گويد: «با قرار دادن ترانزيستورهاي بيشتر بر روي تراشه‌ها، توان عملکرد آن‌ها از ده تا بيست درصد کاهش پيدا مي‌کند.»
 |
تنها راهي که مي‌تواند به جلوگيري از توليد بيش از حد حرارت در پردازنده ها منجر شود، يافتن روش‌هاي جديد براي خنک نگه داشتن آن‌هاست. راه متعارف خنک نگه داشتن تراشه‌هاي سيليکوني، استفاده از فلز مس يا آلومينيوم است، زيرا اين دو فلز رساناي خوب حرارت هستند. در تراشه‌هاي سيليکوني يک قطعه‌ي ظريف آلومينيوم يا مس که با جزئيات خاصي طراحي شده است، به قالب سيليکون ضميمه مي‌شود و يک پره‌ي کوچک پلاستيکي، مانند پنکه حرارت را از اين فلزها مي‌راند. همانطور که خودتان هم مي‌توانيد حدس بزنيد، چنين تراشه‌اي سنگين، پر سروصدا و پر مصرف است.
از طرفي اين پره‌هاي پلاستيکي گرما را به طور کامل از اطراف تراشه پراکنده نمي‌کنند. تصور کنيد در يک سيستم سخت‌افزاري پيچيده با چندين پردازنده، پره‌هاي هر کدام از اين پردازنده‌ها گرما را طوري برانند که حرارت در جايي از سيستم به دام بيفتد. اگر دما در لايه‌هاي ميان تراشه‌ها انباشته شود، در کار سيستم اختلال عملکرد بروز مي‌کند و خلاص شدن از اين گرماي اضافي کاري دشوار است.
محققان امروزه در حال انجام پژوهش‌هايي با هدف خنک نگه داشتن تراشه‌هاي الکتروني هستند. بعضي از آن‌ها سعي در بهبود و اصلاح متدهاي امتحان شده‌ي قبلي دارند و برخي نيز به دنبال توسعه‌ي رويکردهاي کاملاً تازه هستند. ريوي پرشر (Ravi Prasher)،يکي از مديران بخش فناوري آزمايشگاه ملي لارنس برکلي (Lawrence Berkeley National Laboratory) در شهر کاليفرنيا که راه‌هاي مختلفي را براي خنک نگه داشتن تراشه‌هاي الکتروني بررسي کرده است، معتقد است که اين موضوع بزرگ ترين چالش صنعت فلزات نيمه‌هادي است و بايد ديد آيا اين صنعت مي‌تواند بر مشکل گرماي اضافي غلبه کند يا نه.
در اينجا نگاهي به برخي روش‌هاي مبارزه با حرارت در پردازنده‌ها مي‌اندازيم.
لوله‌هاي بسيار ريز آب:
مبناي اين طرح،ايده‌ي استفاده از آب به جاي فلزهاي رساناي گرما است، يعني به جاي اينکه گرما را به لايه‌هاي آلومينيوم يا مس و سپس به هوا منتقل کنيم، يک سيال سرد را در فاصله‌ي چند ميکرومتري تراشه تعبيه کنيم. براي اين منظور احتياج به ساخت يک کانال در ابعاد ميکروسيالي داريم. با وجود چنين شبکه‌اي مي‌توانيم مايع خنک کننده را به داخل سيستم پمپاژ کرده و سيستم را خنک نگه داريم.
در ماه سپتامبر سال 2015 گروهي از محققان مرکز فناوري جورجيا (Georgia Tech) براي اولين بار موفق شدند سيستمي بر پايه‌ي مايع خنک کننده را بر يک آرايه‌ي ميداني قابل برنامه‌ريزي پياده کنند. در اين شبکه‌ي خنک کننده مي‌توان با توجه به کاربرد سخت‌افزار در حوزه‌هاي مختلف مانند پزشکي، نجوم و يا صنايع دفاعي تغييرهايي نيز اعمال کرد. پروفسور مهند بکر (Muhannad Bakir)، استاد برق و مهندسي کامپيوتر به همراه همکارانش توانستند کانال‌هايي طويل را در ابعاد ميکرو بسازند و با پمپاژ آب در آن‌ها، تراشه‌هاي سيليکوني را سرد کنند. اين روش در مقايسه با خنک نگه داشتن پردازنده‌ها به وسيله‌ي فلزهاي رسانا 60 درصد کارآمدتر است. بکر مي‌گويد: «اين فناوري با انواع مختلف تراشه‌هاي سيليکوني و آرايه‌هاي تکنولوژيکي سازگار است.»
يکي ديگر از مزيت‌هاي مهم سردسازي با استفاده از مايع خنک کننده، قابليت استفاده از آن در ساختارهاي سه بعدي تراشه‌هايي با توان بالا است. بکر و همکارانش نشان داده‌اند که مي‌توان لوله‌ها را در ميان چندين تراشه‌ي متعدد تعبيه کرد تا مانند شبکه‌اي گسترده کل سيستم را خنک کند.
يخچال:
بعضي از محققان معتقدند که اگر آب به تنهايي براي خنک نگه داشتن پردازنده کافي نباشد، مي‌توان از سردسازهايي در کانال‌هاي ميکروسيالي استفاده کرد. برونو ميشل (Bruno Michel)، سرپرست گروه پکيج‌هاي پيشرفته‌ي گرمايي در آزمايشگاه پژوهشي IBM زوريخ معتقد است که اگر مايع درون کانال ميکروسيالي بخار شود، مقدار زيادي از حرارت موجود در اطراف تراشه‌ها را استفاده مي‌کند. به همين دليل بهتر است که مايع ابتدا بخار شده و سپس با استفاده از يک چگالنده دوباره ميعان صورت گيرد. اين مايع مجدداً به کانال‌ها برمي‌گردد و همين چرخه براي دفعات متوالي تکرار مي‌شود. به نظر برونو ميشل، با استفاده از اين روش خنک کنندگي دو فازه مي‌توان نقاط داغي را که در پردازنده‌ها شکل مي‌گيرند و تا يک کيلووات بر سانتي متر مربع توان هدر رفته‌ايجاد مي‌کنند خنک نگه داشت. نکته‌ي کليدي ساختن چنين سيستم خنک کننده‌اي اين است که تبخير بايد به شکل کنترل شده صورت گيرد و کانال‌هاي آب هرگز نبايد خالي از آب مايع شوند.
اولين و ساده ترين خنک کننده‌هاي دوفازه در گوشي‌هاي هوشمند استفاده شدند. در ماه مارس سال 2015 کمپاني فوجيتسو (Fujitsu) اعلام کرد که در گوشي‌هاي همراه خود، از يک سيستم خنک کننده‌ي دو فازه با ضخامتي کمتر از يک ميليمتر استفاده کرده است.
پنکه‌ي پنکه‌ها:
کمپاني کولچيپ (CoolChip) با همکاري دانشگاه MIT، اقدام به اعمال تغييراتي در پنکه‌هاي متعارف پردازنده‌ها کرده اند. آن‌ها دو پره‌ي موجود در هر تراشه را تبديل به يک پره کرده‌اند. اين قطعه‌ي ترکيبي که کمپاني نامش را «موتور خنک کننده‌ي جنبشي»
گذاشته است، يک قطعه‌ي تخت و دايروي از جنس آلومينيوم است که انحناهايي مانند باله‌هاي يک پنکه روي آن‌ايجاد شده است. بر اساس ادعاهاي کمپاني سازنده، اندازه‌ي اين پنکه نصف مدل‌هاي متعارف قبلي است و با توليد صداي کمتر، مي‌تواند حدود 50 درصد انرژي حرارتي بيشتري را بزدايد. قرار است شرکت ميکروسافت از اين سيستم خنک کننده در کنسول‌هاي بازي توليد امسال خود استفاده کند.
نانولوله‌هاي کربني:
هم اکنون در صنعت پليمرها و روغن‌هاي حرارتي از اين مواد به عنوان رابط ميان قالب‌هاي سيليکون و محل پراکنده سازي حرارت اضافي استفاده مي‌شود. نانولوله‌هاي کربني مي‌توانند جايگزيني بسيار مناسب براي پليمرها و روغن‌هاي حرارتي باشند. نانولوله‌هاي کربني هدايت حرارتي بالايي دارند و انعطاف پذير هستند. استفاده از مواد صلب و بدون انعطاف در تراشه‌ها مي‌تواند منجر به آسيب رسيدن به سيستم شود. دکتر فرانک اوگلتري (D. Frank Ogletree)، فيزيکدان آزمايشگاه ملي لارنس برکلي مي‌گويد: «مشکل اينجاست که اين نانولوله ها به آساني با موادي که به آن‌ها متصل مي‌شوند پيوند شيميايي مي‌سازند. به همين دليل رسيدن به يک سيستم انتقال حرارت کارآمد که گرما را از تراشه‌ها به فضايي دورتر منتقل کند کاري دشوار است.»
اوگلتري توانسته است با برقرار کردن پيوند کوالانسي ميان نانولوله‌هاي کربني و فلز سيليکون، جريان گرماي عبوري از لوله‌ها را به شش برابر برساند. البته جالب است بدانيد که تنها 6 درصد از آرايه‌هاي عمودي لوله‌هاي کربني در تماس با فلز هستند. پرشر از آزمايشگاه برکلي مي‌گويد: «اگر کسي بتواند اين مسئله را حل کند، اين فناوي مي‌توانند براي حوزه‌ي الکترونيک و صنعت قانع کننده و متناسب تلقي شود.»
منبع:
منابع مفید:
اختراع سیستم خنک کننده لیزری