Nano-ismaskin kan redde hele IT-bransjen

En ny kjølemetode kan gi prosessorer langt høyere frekvenser, og sikre livsviktige hopp i ytelse.

Et ungt amerikansk selskap, Nextreme, mener å ha løsningen på et av IT-bransjens mest akutte utfordringer: Intens punktvis varmeutvikling i moderne prosessorer, spesielt når klokkefrekvensen øker.

Denne varmeutviklingen blir mer intens etter hvert som transistorene og avstanden mellom dem blir mindre. Det er en hovedårsak til at Intel, AMD, Sun og IBM ikke lenger kan øke klokkefrekvensen for å holde tritt med Moores lov, men er nødt til å ty til andre metoder, som å utstyre hver prosessor med flere kjerner.

Moores lov sier at prosessorytelsen dobles hvert halvannet år. Det er denne kontinuerlige framgangen de siste tiårene som har skapt IT-bransjen slik den er i dag. Hele IT-bransjens dynamikk, også innen programvare, konsulentvirksomhet og så videre, er avhengig av at prosessorkraften økes etter denne fastsatte rytmen.

Følgelig er utsiktene til at man igjen nærmest uhemmet kan bedre ytelsen ved å øke klokkefrekvensen, uten frykt for at varmeutviklingen skal bli så intens at det øvrige maskineriet smelter, svært oppsiktsvekkende.

Det er også svært oppsiktsvekkende at metoden ikke er utviklet av en av de største prosessorleverandørene, men av et oppstartselskap.

Nextreme har utviklet et termoelektrisk materiale som kan framstilles som tynn film, med en tykkelse på bare noen få mikrometer. Ved å sende strøm gjennom denne filmen, kan man opprettholde en temperaturforskjell mellom filmens to sider.

I praksis er dette en ismaskin i nanostørrelse: I romtemperatur kan man plassere en vanndråpe på et areal av denne filmen som mindre enn et nålhode, og la det fryse til is ved å sende strøm gjennom filmen.

Det andre store gjennombruddet til Nextreme er at de har funnet ut hvordan denne nano-ismaskinen kan innlemmes i produksjonsprosesser i moderne halvlederteknologi.

En moderne prosessor består av aktivt halvledermateriale med millioner av transistorer i logiske koplinger, som monteres lagvis med ledningskort mellom. I tidligere tider ble ledningskortene forsynt med små loddehumper der det skulle være elektrisk kontakt mellom ledningskortet og det aktive halvledermaterialet. I dag tyr man til humper bestående av små tårn av kobber, med loddemateriale både over og under: Disse heter «copper pillar bump», forkortet CPB. En CPB er typisk rundt 60 mikrometer høy.

Alle utfordringer knyttet til framstilling og plassering av CPB under produksjonen, er løst. Dette er noe IBM, Intel og de andre kan.

Gjennombruddet til Nextreme består i å plassere en liten skive termoelektrisk film i kontaktflaten mellom en CPB og halvledermaterialet. Ledningene som skal tilføre strøm til den lille ismaskinen, kan legges inn i selve halvledermaterialet, eller i et eget lag. Verken plasseringen av skiven eller ledningene skal utgjøre noe større problem i brikkeproduksjonen.

Denne skissen viser hvordan det ser ut:

Det aktive halvledermaterialet er merket «chip». CPB-en er merket «Cu Pillar». Loddingen er merket «Solder». Den termoelektriske filmen er merket «TE layer». Ledningene som fører strøm til den termoelektriske filmen er «Metal layers» i selve halvlederen. «PWB» er ledningskortet («printed wiring board»), og «Thermal via» viser for eksempel til en varmeledende metallplugg i kortet.

Kontaktflaten mellom filmen og halvledermaterialet har en overflate på 300 kvadratmikrometer, det vil si 0,0003 kvadratmillimeter. Varmeledningsevnen er 150 watt per kvadratcentimeter. Dette er nok til å sikre at halvledermaterialet i kontakt med filmen får en temperaturreduksjon på mellom fem og ti grader.

Poenget er at denne punktvise avkjølingen kan disponeres akkurat så tett som man ønsker. Erfaringen er at moderne prosessorer, både CPU-er og avanserte grafiske brikker, har såkalte «hotspots» der varmeutviklingen er spesielt intenst. Ved å legge tett med «termiske CPB-er» rundt disse områdene, kan man effektivt hindre varmen derfra fra å spre seg til resten av brikken.

Nextreme tenker seg at ordninger der de termiske CPB-ene styres, slik at brikken totalt sett opplever så jevn driftstemperatur som mulig. Det vil igjen øke påliteligheten og ytelsen betraktelig.

Dagens ordninger for å kjøle ned IT-utstyr, sammenlikner Nextreme med et stort bygg der man kjører kjøleanlegget på fullt over hele bygget bare fordi det er ekstremt varmt på kjøkkenet. Punktvis kjøling av prosessoren vil bidra til langt mer effektiv utnyttelse av vifter og andre kjølekomponenter, og igjen bidra til redusert strømforbruk og miljøbelastning.

Nextreme har framstilt noen egne spesialiserte produkter, etter å ha gitt en første beskrivelse av sin grunnleggende teknologi tidlig i fjor (2007). Nå opplyser de at de har seriøse samtaler med praktisk talt alle ledende halvlederprodusenter verden over.

En annen egenskap ved Nextremes termiske CPB-er, er at de også genererer strøm når de er utsatt for temperaturforskjeller. Nextreme mener dette vil kunne utnyttes for å gjøre framtidens brikker enda mer effektive.

Til toppen