Budoucnost chlazení: Nanotechnologie a iontový vítr
29.3.2004, Zdeněk Kabát, článek
Možná jste již slyšeli o nanotrubicích, což je zvláštní forma uhlíku s extrémními fyzikálními vlastnostmi. Na univerzitě v Purdue dokázaly vědci objevit další vlastnost tohoto matriálu budoucnosti – schopnost chlazení. Vše funguje na bázi iontového větru, který vzniká vystavením nanotrubic elektrickému poli s napětím pod 100 voltů.
Mnozí z Vás již jistě slyšeli o nanotrubicích. Jedná se o unikátní materiál na bázi fullerenů (speciální forma uhlíku, jejíž forma C60 tvoří tvar fotbalového míče), který se vyznačuje mnoha zajímavými fyzikálními vlastnostmi. Nanotrubice jsou vlákna o tloušťce pouhých několika nanometrů, ale projevují extrémní pružnost a pevnost (pevnější než ocel). Počítá se s nimi ve výrobě displejů, baterií, senzorů apod.
Obr. 1 – Formy uhlíku včetně fullerenu a nanotrubice
Nyní ale již k věci. Vědcům na univerzitě v Purdue (Indiana) se podařilo díky nanotrubicím vyvinout speciální typ chlazení, který používá elektrické pole s malým napětím pro uvolnění iontového větru. Tato technologie již byla navržena pro patentování a spolupracovali na ní Suresh Garimella, Timothy Fisher, Daniel J. Schlitz a Vishal Singhal. Poslední dva dokonce založili firmu Thorrn Micro Technologies Inc. pro komerční využití nového chlazení.
Ztrátového teplo počítačů se již dnes pohybuje v maximech kolem 200W a tiše uchladit takovouto teplárnu lze prakticky jen s vodním chlazením. Přestože je však vodní chlazení běžně dostupné, lidé mají stále rádi vzduch. Právě tato novinka založená na nanotrubicích kombinuje vzduchové chlazení s efektivitou vodního a na rozdíl od Peltiérových článků nemá tak drtivou spotřebu energie.
Obr. 2 – Stručné schéma nového typu chlazení. Toto je jedna z navrhovaných verzí, kde vidíte nalevo systém elektrod (červené jsou záporné nanotrubice) generující elektrony a ionizující vzduch. Nabité částice jsou pak posouvány v „pumpovací oblasti“ směrem k chlazenému čipu.
Princip této nové technologie chlazení tkví v tom, že na konkrétním čipu je pomocí pole elektrod generován iontový vítr. Záporně nabité elektrody jsou tvořeny právě nanotrubicemi o průměru přibližně 5nm. Pokud je na těchto elektrodách iniciováno napětí, začnou od záporných elektrod ke kladným proudit elektrony. Tyto elektrony ionizují přítomný vzduch stejným způsobem jako vzduch při bouřce.
Jako efekt tohoto jevu je vytvořen proud částic, který se podobá koronovému větru vznikajícímu mezi elektrodami s napětím kolem 10 kilovoltů. Díky obzvláště slabým nanotrubicím a mezerami mezi elektrodami pouhých 10 mikronů je ale toto napětí minimalizováno na hodnoty kolem 100V, což je hodnota, která je již v počítačích přijatelná.
Obr. 3 – Snímek elektrod v „pumpovací oblasti“. Částice vzniklé ionizací atomů vzduchu jsou popoháněny vpřed rychlou změnou napětí na těchto elektrodách v pravidelné frekvenci kolem 1MHz. Je evidentní, že napětí se mění na trojici základních vodičů, které jsou nabity nejvíce kladně – méně kladně – záporně. Tím je mrak iontů posouván dále.
Ovšem pro vytvoření potřebného proudění je nutné ještě něco. Jak jste si mohli všimnout na schématu, nachází se v zařízení ještě „pumpovací oblast“, která bude hnát nabité částice směrem k čipu. Důležitý je právě onen náboj ionizovaných částic, které pak lze díky systému elektrod urychlit a vytvořit tak potřebný vítr. Rychlými změnami napětí na určité frekvenci je mrak nabitých částic urychlován a navíc zároveň koliduje s dalšími neutrálními atomy, čímž vznikají nové a nové ionty.
Schéma v článku zobrazuje elektrody, které se k vytváření iontového větru používají. Skládá se z mnoha trojic elektrod, kde jedna je nejvíce kladně nabitá, druhá méně kladně nabitá a třetí záporná. Přepínání napětí na těchto elektrodách vytváří žádaný efekt a průtok vzduchu (resp. ionizovaného vzduchu).
Další verze tohoto chlazení spočívá v tom, že namísto nanotrubic budou použity slabé vrstvy synteticky vyrobeného diamantu. Podle slov univerzitních vědců se s diamantem dosahuje nejen stejných výsledků, ale navíc je tento materiál levnější na výrobu než nanotrubice.
Obr. 4 – Detail trojic elektrod, na kterých se v „pumpovací oblasti“ mění napětí a iontový mrak je popoháněn vpřed.
Máme tedy architekturu nového chlazení, ale jak ve skutečnosti funguje? Ač to v dnešní době zní téměř nepředstavitelně, není třeba mít na čipu jakýkoliv heatsink, do kterého by byl vháněn vzduch, ale toto nano-chlazení se umístí přímo na čip, který bude mít v budoucnu rozměry max. pár stovek milimetrů čtverečních. K celému chlazení tedy dochází přímo na čipu, který je ochlazován bezprostředně.
Dopad na budoucnost chlazení je jasný a nejvíce budou ovlivněny nejspíše notebooky. Představte si, že k chlazení stačí jen čtvereček integrující na sobě moderní elektroniku vytvářející iontový vítr. V případě nutnosti by bylo možné použít třeba více těchto zařízení nad sebou, čímž by byl efekt zněkolikanásoben. Podle Garimelly lze toto chlazení vyrábět velmi podobnými technikami jako současné křemíkové technologie. Projekt je zatím ve fázi prototypu a podle informací bychom se prvních skutečných výsledků měli dočkat v létě.
Zdroj: http://news.uns.purdue.edu/hp/Garimella.nanolight.html
Obr. 1 – Formy uhlíku včetně fullerenu a nanotrubice
Nyní ale již k věci. Vědcům na univerzitě v Purdue (Indiana) se podařilo díky nanotrubicím vyvinout speciální typ chlazení, který používá elektrické pole s malým napětím pro uvolnění iontového větru. Tato technologie již byla navržena pro patentování a spolupracovali na ní Suresh Garimella, Timothy Fisher, Daniel J. Schlitz a Vishal Singhal. Poslední dva dokonce založili firmu Thorrn Micro Technologies Inc. pro komerční využití nového chlazení.
Ztrátového teplo počítačů se již dnes pohybuje v maximech kolem 200W a tiše uchladit takovouto teplárnu lze prakticky jen s vodním chlazením. Přestože je však vodní chlazení běžně dostupné, lidé mají stále rádi vzduch. Právě tato novinka založená na nanotrubicích kombinuje vzduchové chlazení s efektivitou vodního a na rozdíl od Peltiérových článků nemá tak drtivou spotřebu energie.
Princip této nové technologie chlazení tkví v tom, že na konkrétním čipu je pomocí pole elektrod generován iontový vítr. Záporně nabité elektrody jsou tvořeny právě nanotrubicemi o průměru přibližně 5nm. Pokud je na těchto elektrodách iniciováno napětí, začnou od záporných elektrod ke kladným proudit elektrony. Tyto elektrony ionizují přítomný vzduch stejným způsobem jako vzduch při bouřce.
Jako efekt tohoto jevu je vytvořen proud částic, který se podobá koronovému větru vznikajícímu mezi elektrodami s napětím kolem 10 kilovoltů. Díky obzvláště slabým nanotrubicím a mezerami mezi elektrodami pouhých 10 mikronů je ale toto napětí minimalizováno na hodnoty kolem 100V, což je hodnota, která je již v počítačích přijatelná.
Ovšem pro vytvoření potřebného proudění je nutné ještě něco. Jak jste si mohli všimnout na schématu, nachází se v zařízení ještě „pumpovací oblast“, která bude hnát nabité částice směrem k čipu. Důležitý je právě onen náboj ionizovaných částic, které pak lze díky systému elektrod urychlit a vytvořit tak potřebný vítr. Rychlými změnami napětí na určité frekvenci je mrak nabitých částic urychlován a navíc zároveň koliduje s dalšími neutrálními atomy, čímž vznikají nové a nové ionty.
Schéma v článku zobrazuje elektrody, které se k vytváření iontového větru používají. Skládá se z mnoha trojic elektrod, kde jedna je nejvíce kladně nabitá, druhá méně kladně nabitá a třetí záporná. Přepínání napětí na těchto elektrodách vytváří žádaný efekt a průtok vzduchu (resp. ionizovaného vzduchu).
Další verze tohoto chlazení spočívá v tom, že namísto nanotrubic budou použity slabé vrstvy synteticky vyrobeného diamantu. Podle slov univerzitních vědců se s diamantem dosahuje nejen stejných výsledků, ale navíc je tento materiál levnější na výrobu než nanotrubice.
Máme tedy architekturu nového chlazení, ale jak ve skutečnosti funguje? Ač to v dnešní době zní téměř nepředstavitelně, není třeba mít na čipu jakýkoliv heatsink, do kterého by byl vháněn vzduch, ale toto nano-chlazení se umístí přímo na čip, který bude mít v budoucnu rozměry max. pár stovek milimetrů čtverečních. K celému chlazení tedy dochází přímo na čipu, který je ochlazován bezprostředně.
Dopad na budoucnost chlazení je jasný a nejvíce budou ovlivněny nejspíše notebooky. Představte si, že k chlazení stačí jen čtvereček integrující na sobě moderní elektroniku vytvářející iontový vítr. V případě nutnosti by bylo možné použít třeba více těchto zařízení nad sebou, čímž by byl efekt zněkolikanásoben. Podle Garimelly lze toto chlazení vyrábět velmi podobnými technikami jako současné křemíkové technologie. Projekt je zatím ve fázi prototypu a podle informací bychom se prvních skutečných výsledků měli dočkat v létě.
Zdroj: http://news.uns.purdue.edu/hp/Garimella.nanolight.html
