Aplicación de la tecnología de refrigeración de chips microcanal en soluciones de refrigeración líquida
La refrigeración líquida es el futuro de los centros de datos. El aire no puede soportar la densidad de potencia que llega a la sala de datos, por lo que un fluido denso con alta capacidad térmica fluye hacia la conexión. A medida que aumenta la densidad térmica de los equipos informáticos, el líquido se acerca a ellos. Pero, ¿hasta dónde pueden acercarse los líquidos? Es ampliamente aceptado operar un sistema de circulación de agua a través de la puerta trasera de los gabinetes del centro de datos. A continuación, el sistema sigue haciendo circular agua hacia la placa fría en componentes particularmente calientes como GPU o CPU. Además, el sistema de inmersión sumerge todo el bastidor en el fluido dieléctrico, por lo que el refrigerante puede entrar en contacto con cada parte del sistema. Los principales proveedores ofrecen ahora servidores optimizados para la inmersión.
En 1981, los investigadores David Tuckerman y RF Pease de la Universidad de Stanford propusieron grabar pequeños "microcanales" en los disipadores de calor para eliminar el calor de manera más eficaz. Los canales pequeños tienen una superficie mayor y pueden eliminar el calor de forma más eficaz. Sugieren que los disipadores de calor pueden convertirse en un componente de los chips VLSI, y su demostración demuestra que los disipadores de calor de microcanales pueden soportar un impresionante flujo de calor de 800 W por metro cuadrado.
Con el desarrollo de la fabricación de semiconductores y su entrada en estructuras tridimensionales, la idea de refrigeración y procesamiento integrados se ha vuelto más práctica. A partir de la década de 1980, los fabricantes intentaron superponer múltiples componentes en chips de silicio. Crear canales encima de chips de silicio multicapa puede ser un método rápido y óptimo para el enfriamiento, ya que puede comenzar simplemente implementando pequeñas ranuras similares a aletas en un disipador de calor. Pero esta idea no ha recibido mucha atención porque los proveedores de chips esperan utilizar tecnología 3D para apilar componentes activos. Este método ahora es aceptado por la memoria de alta densidad y las patentes de Nvidia indican que puede estar destinado a apilar GPU.
Los investigadores llevan varios años trabajando en el grabado de canales de microfluidos en la superficie de chips de silicio. Un equipo del Instituto de Tecnología de Georgia colaboró con Intel en 2015 para ser potencialmente el primero en fabricar un chip FPGA con una capa de enfriamiento de microfluidos integrada, ubicada a solo unos cientos de micrómetros de donde funciona el transistor de silicio. "Eliminamos el disipador de calor en la parte superior del chip de silicio enfriando el líquido a sólo unos cientos de micrómetros del transistor", dijo el profesor Muhannad Bakir, líder del equipo del Instituto de Tecnología de Georgia, en un comunicado de prensa. Creemos que la integración directa y confiable del enfriamiento de microfluidos en el silicio se convertirá en una tecnología disruptiva para la próxima generación de productos electrónicos.
En el interior del chip se ha diseñado una red 3D de canales de refrigeración microfluídica, situada apenas unos micrómetros por debajo de la parte activa de cada dispositivo transistor, desde donde se genera calor. Este método puede mejorar el rendimiento de refrigeración 50 veces. Los microcanales transportan fluidos directamente a los puntos críticos y manejan una asombrosa densidad de potencia de 1,7 kW por centímetro cuadrado. Esto equivale a 17MW por metro cuadrado, que es varias veces el flujo de calor actual de la GPU.
La dificultad de disipar el calor significa que los chips más grandes actuales no pueden utilizar todos los transistores a la vez, de lo contrario se sobrecalentarán. La aplicación de microfluidos puede mejorar el rendimiento y la eficiencia del chip. Es posible operar centros de datos de manera más eficiente sin la necesidad de sistemas de refrigeración que consuman mucha energía.
