Technologie současného a budoucího chlazení

Budoucnost chlazení a závěr

Již dnes se výzkumníci zabývají otázkou chlazení budoucích počítačových čipů. Podle všude papouškovaného Moorova zákona se totiž očekává, že vzrůstem počtu tranzistorů rovněž vzroste i produkované teplo; ve viditelném horizontu let až desetinásobně v poměru k dnešní špičce při počtu tranzistorů dosahující až jedné miliardy. A to znamená, že budeme potřebovat nové chladicí technologie.

Mluví se o takzvaném ko-designování čipů, čímž se myslí spolupráce inženýrů zabývajících se návrhem čipů a inženýrů zabývajících se chlazením. Dnes se totiž otázka chlazení probírá až po dokončení samotného návrhu a to se má v nejbližších letech změnit. A už se k tomu připravují první kroky. V polovině roku 2006 by měl začít fungovat institut Center for Electrothermal Co-Design of Future Electronics, neboli Centrum pro elektrotermický ko-design budoucí elektroniky a ten se začne otázkou budoucnosti chlazení už vážně zabývat. Jeho význam by měl být hlavně v pomoci výrobcům zkoumat nové nadějné technologie, které ovšem mají tak nejistý výsledek, že jejich výzkum není ekonomicky obhájitelný. A že je to myšleno velmi vážně, už dokazuje konference z 8. a 9. března, jíž se zúčastnili experti z Intelu, AMD, IBM, H&P, SONY, NOKIA a dalších.

A jak experti vidí integrované chlazení v čipech již nepříliš vzdálené budoucnosti? Procesory by spíše než placaté destičky připomínaly malé krychle. Tyto krychle by se skládaly z vrstev tranzistorových obvodů prokládaných chladicími zařízeními v podobě mikrokanálků s cirkulujícím médiem tlačeným mikropumpami a miniaturních zařízení s funkcí ledničky. Další technologie budou zajišťovat úplné odpojení částí čipů, aby zbytečně neprodukovaly odpadní teplo

Centrum pro výzkum chlazení se také chystá navrhnout takový software, jenž by dal širší komunitě možnost navrhovat budoucí "krychlové" čipy s použitím nových technologií pro chlazení. Jenomže nejdříve musí přijít s něčím reálným, co bude plnit svou funkci. Zatím jsou hotovy jen předběžné návrhy, jako je například použití nabitých atomů – iontů. Princip je založen na průtoku iontů skrz negativně nabité kanálky – uhlíkové nanotrubičky. Tyto nanotrubičky pod napětím vybíjejí elektrony směrem k pozitivně nabitým elektrodám. Molekuly vzduchu jsou vlivem elektronů ionizovány, vzniká nerovnost v náboji přítomného vzduchu, která vede ke vzniku miniaturních blesků, a tak se při napětí méně jak 100V v tomto miniaturním zařízení začne tvořit vzdušný proud.


Budoucí chladicí zařízení počítají se dvěma oblastmi – generovací oblastí, kde se budou uvolňovat elektrony a pumpovací oblastí, kde se bude odehrávat samotný efekt chlazení. Rychlým střídáním napětí v elektrodách budou ionty vzniklé reakcí elektronů se vzduchem pumpovány a vznikne tak proud vzduchu chladící vrstvy tranzistorových obvodů nacházejících se nad a pod ním a to je také největší přednost tohoto chlazení – odehrává se co nejblíže ke zdroji tepla a neřeší jeho transfer na vzdálený chladič, jako je tomu dnes. O čem se ovšem nikdo zatím nezmiňuje je samotný chladicí účinek a tak si musíme na rozhodnutí o chlazení budoucnosti ještě nějakou dobu počkat.

Na co ale už čekat nemusíme, jsou piezoelektrické vějíře pracující na principu čínských vějířů. Nápad vznikl na stejném místě jako iontový vítr – na univerzitě Purdue v americké Indianě, v hlavě Dr. Garimelly a jeho spolupracovníků. Samotná funkce zařízení je založena na střídavém napětí přiváděném na piezoelektrické elementy, které se roztahují a smršťují, čímž ohýbají s plátkem a ten zajišťuje konvekci vzduchu.


Největší výhodou tohoto zařízení jsou velmi malé nároky na elektrickou energii – okolo 2mW. Dále jsou to rozměry zařízení, které ho spolu s nároky na energii předurčují k použití u mobilních zařízení a notebooků, ale ani stolní PC by je nemusela ignorovat. Vějíře se nyní nachází pořád ve stádiu vývoje prototypů, ale už dnes jejich tvůrce přiznává, že se nejspíše nepodaří, aby vějíře nahradily stávající ventilátory – jsou zatím málo výkonné. Ale nic nebrání jejich zamýšlenému použití v kombinaci s klasickým stylem chlazení.


Nezanedbatelný je také fakt, že vějíř sám o sobě neprodukuje prakticky žádný hluk a se svou konstrukcí není náchylný k opotřebení a prach mu nevadí už vůbec. Nyní se Garimella zaměřuje na miniaturizaci těchto vějířů s možnou vidinou podobné aplikace, jaká se zamýšlí u iontového principu a jako třešničku na dortu si vzal za cíl co možná největší miniaturizaci heatpipe technologie, jež by se rovněž využila přímo v čipech.

Jak je vidět, lidé na těch správných místech se už probudili a přišli se zajímavými nápady. Nám nezbývá nic jiného, než si počkat, jestli jejich snaha přinese ty správné výsledky a alespoň některá z myšlenek bude opravdu v praxi aplikovatelná. Zatím to vypadá slibně.

Zdroje: Enetron-Inc
PWM regulace
Purdue University