Vil kjøle brikker med teknikk fra biologien

Svært mye teknologiutvikling går ut på å implementere metoder fra naturen. Dette gjelder også kjøling av databrikker.

Utviklingen av dagens databrikker har støtt på et vanskelig problem - ekstremt høy varmeutvikling. Dette setter blant annet en foreløpig grense for hvor raskt prosessorer kan arbeide. Både Intel og AMD satser nå nesten bare på å utstyre prosessorer med flere kjerner i stedet for å øke klokkehastigheten.

Dette kan komme til å endre seg.

Forskere ved IBM presenterte nylig en ny tilnærming for å forbedre kjølingen av databrikker. Teknikken, som kalles "high thermal conductivity interface technology", skal kunne lede bort dobbelt så mye varme som de beste av dagens metoder.

- Vi ønsker å hjelpe elektronikkprodusenter å opprettholde innovasjonen. Vår kjøleteknologi for brikker er bare ett av verktøyene vi besitter for å hjelpe dem med det, sier Bruno Michel, leder for forskningsgruppen for Advanced Thermal Packaging ved IBMs laboratorier i Zürich, i en pressemelding.

IBMs tilnærming fokuserer på overgangen mellom den varme brikken og de ulike kjølekomponentene som i dag brukes for å lede vekk varmen, inkludert kjølefinner. I dag brukes ulike former for kjølepasta, som legges i en svært tynt lag mellom overflaten på brikken og kjølelegemet. Dette gjør transporten av varme fra brikke til kjølelegemet mer effektiv. Men et for tynt lag med kjølepasta kan ifølge IBM føre til at brikken skades hvis vanlige kjøleteknologier benyttes.

Ved hjelp av mikroteknologi har IBM utviklet en brikkehette med et nettverk av trelignende, forgrenede kanaler på overflaten. Dette mønsteret er designet slik at når det utsettes for trykk, vil pastaen spres langt jevnere og trykket fordeles jevnt utover brikken. Ifølge IBM tillater dette at trykket mellom brikken og kjølelegemet kan halveres, samtidig som man oppnår ti ganger bedre varmetransport gjennom grensesnittet.

Designen på grensesnittet er lånt fra biologien. Systemer med hierarkiske kanaler finnes mange steder i naturen, blant annet i plantenes løv og røtter, i tillegg til det menneskelige sirkulasjonssystemet. Disse kan betjene svært store volumer med lite energi, noe som ifølge IBM er kritisk for alle organismer større enn noen få millimeter. Fra gammelt av har overrislingsanlegg benyttet den samme tilnærmingen.

Flere av dagens databrikker har en effekttetthet på mer enn 100 watt per kvadratcentimeter - én størrelsesorden høyere enn en typisk kokeplate. IBM mener at morgendagens brikker vil kunne ha enda høyere effekttetthet, noe som kan skape overflatetemperaturer tilsvarende den på solen, omtrent 6000 °C, hvis de ikke kjøles.

Ifølge IBM har dagens kjøleteknologier, stort sett basert på at luft blåses over kjølelegemer utstyrt med finner, i praksis nådd sine grenser. Det som i tillegg forverrer situasjonen, er at energien som brukes på å kjøe ned datasystemene, snart nærmer seg den energien som benyttes til beregninger i datasystemene. Dette betyr betydelig høyere strømregning.

Forskerne i Zürich har også sett på denne problemstillingen og utvikler nå et vannkjølingssystem med en tilnærming som virker lovende. Metoden kalles «direct jet impingement» og går ut på at man spruter vann på baksiden av brikken og suger det av igjen i et helt lukket system ved å bruke en matrise med opptil 50.000 ørsmå forstøvere og en komplisert, forgrenet arkitektur for returen. Ved å sprute vannet direkte på brikken, unngår man at varmetransporten reduseres på grunn av motstand i de termiske grensesnittene.

De første labresultatene viser at man kunne kjøle ned brikker med effekttetthet på opptil 370 watt per kvadratcentimeter når man brukes vann som kjølemiddel. Dette er mer enn seks ganger høyere enn grensen for teknikker basert på luftkjøling, hvor man greier å kjøle ned omtrent 75 watt per kvadratcentimeter. Likevel skal det nye systemet forbruke mindre energi på pumpingen enn det andre kjølesystemer gjør.

IBM oppgir ikke informasjon om hvor mye varme dagens vannbasert kjølesystemer for datasystemer er i stand til å lede vekk.

Til toppen