Un nuevo sistema para enfriar computadoras podría revolucionar el ritmo de la innovación | Ciencias

En 1965, Gordon Moore, cofundador de Intel, pronosticó que la informática aumentaría en potencia y disminuiría exponencialmente el precio. Durante décadas, lo que más tarde se conoció como la Ley de Moore resultó ser cierto, ya que la potencia de procesamiento de los microchips se duplicó aproximadamente y los costos bajaron cada dos años. Pero a medida que la potencia aumentó exponencialmente, también lo hizo el calor producido al colocar miles de millones de transistores encima de un chip del tamaño de una uña.

A medida que la electricidad se encuentra con la resistencia que pasa a través de esos procesadores, crea calor. Más procesadores significan temperaturas más altas, lo que amenaza el crecimiento continuo de la potencia de las computadoras porque a medida que se calientan, los chips disminuyen en eficiencia y eventualmente fallan. También hay un costo ambiental. Esos chips, y el enfriamiento que requieren, devoran energía con un hambre insaciable. Uso de centros de datos aproximadamente el uno por ciento de la electricidad mundial. Solo en los Estados Unidos, consumen electricidad y agua para refrigeración aproximadamente equivalente a la que consume toda la ciudad de Filadelfia en un año.

Ahora, investigadores suizos han publicado un estudio en la revista Naturaleza que dice que tienen una solución al problema de enfriamiento. “Los centros de datos consumen una gran cantidad de electricidad y agua, ya que a medida que dependemos cada vez más de estos datos, este consumo aumentará”, dice Elison Matioli, profesor del Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) que dirigió el estudio. “Por lo tanto, encontrar formas de lidiar con el calor disipado o la energía disipada es un tema extremadamente importante”.

Los intentos anteriores de enfriar microchips se han basado en lavabos de metal, a menudo combinados con ventiladores, que absorben el calor y actúan como un sistema de escape. Algunos centros de datos dependen del fluido que fluye a través de los servidores para eliminar el calor. Pero esos sistemas se diseñan y fabrican por separado y luego se combinan con los chips. Matioli y su equipo han diseñado y fabricado chips y sus sistemas de enfriamiento de fluidos juntos. En el nuevo diseño, los elementos de enfriamiento se integran mediante la creación de microcanales para el fluido dentro de los semiconductores que eliminan el calor, ahorran energía y mitigan los problemas ambientales creados por los centros de datos.

Su trabajo también podría tener aplicaciones importantes en un futuro electrificado, ayudando a eliminar el problema del calor y reduciendo el tamaño de los convertidores de energía en automóviles, paneles solares y otros dispositivos electrónicos. “La tecnología propuesta debería permitir una mayor miniaturización de la electrónica, lo que podría extender la Ley de Moore y reducir en gran medida el consumo de energía en la refrigeración de la electrónica”. escriben.

El calor producido por los chips en la electrónica ha sido un problema desde la década de 1980, según Yogendra Joshi, profesor de ingeniería en Georgia Tech, que no formó parte del estudio. Los primeros microprocesadores, como la primera unidad central de procesamiento de Intel lanzada en 1971, no generaban suficiente calor para requerir enfriamiento. En la década de 1990, los ventiladores y los disipadores de calor se integraron en prácticamente todas las unidades centrales de procesamiento, el corazón físico de la computadora que incluye los componentes de memoria y cálculo, ya que el aumento de potencia generaba un aumento de calor. Pero depender de disipadores de calor metálicos que extraen el calor y lo disipan a través del aire aumenta la temperatura de todo el dispositivo y crea un bucle que simplemente crea más calor. “Por lo general, los dispositivos electrónicos no funcionan muy bien cuando están calientes”, agrega Matioli. “Entonces, de alguna manera, disminuye la eficiencia de toda la electrónica, lo que termina calentando más el chip”.

Los investigadores exploraron la microfluídica, la ciencia del control de fluidos en canales diminutos, ya a principios de la década de 1990. Los esfuerzos aumentaron después de que la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa de EE. UU. Se interesó por primera vez en la tecnología a fines de la década de 1990, pero comenzó a interesarse más en 2008 cuando el número de transistores productores de calor en un chip de microprocesador pasó de miles. a miles de millones. Joshi estima que la agencia ha gastado $ 100 millones en investigación, incluida la financiación de lo que llamó Programas ICECool en IBM y Georgia Tech a partir de 2012.

A lo largo de los años, se ha explorado la incorporación de refrigeración líquida en chips mediante tres diseños básicos. Los dos primeros diseños no pusieron el fluido refrigerante en contacto directo con el chip. Uno utilizó una tapa de placa fría con canales de microfluidos para enfriar las virutas. Otro presentaba una capa de material en la parte posterior de los chips para transferir calor a una placa refrigerada por líquido sin la tapa. El tercer diseño, el que exploraron Matioli y su equipo, pone el refrigerante en contacto directo con el chip.

La investigación de Matioli se basa en el trabajo de Joshi y otros. En 2015, Joshi y su equipo informaron cortar canales de fluido directamente en circuitos integrados produciendo temperaturas 60 por ciento más bajas que el enfriamiento por aire. “La tecnología de enfriamiento va a ser absolutamente crítica y el uso de fluidos distintos del aire es una parte clave para poder eliminar estos requisitos de rechazo de calor tan grandes que exigen las computadoras”, dice Joshi. “Y desea tener el refrigerante donde se produce el calor. Cuanto más lejos esté, menos eficaz será a un nivel muy alto “.

Eso es lo que avanzó la investigación de Matioli. Para probar su concepto, el equipo diseñó chips refrigerados por agua, que combinan corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) integrando microcanales llenos de agua en el mismo sustrato semiconductor. El sustrato que usaron fue nitruro de galio, en lugar de silicio, lo que permitió una miniaturización mucho más pequeña que el silicio de uso típico. El resultado, según el documento, es una potencia de enfriamiento hasta 50 veces mayor que los diseños convencionales.

El truco consistía en encontrar una nueva forma de fabricar chips para que los canales de fluidos, que iban desde 20 micrones (el ancho de una célula de piel humana) hasta 100 micrones, estuvieran tan cerca de lo posible como la electrónica. Combinaron aquellos con canales grandes en la parte posterior del chip para reducir la presión necesaria para que el líquido fluya. “La analogía es que es como nuestros cuerpos”, dice Matioli. “Tenemos las arterias más grandes y los capilares más pequeños y así es como todo el cuerpo minimiza la presión necesaria para distribuir la sangre”.

La tecnología de enfriamiento tiene el potencial de convertirse en una parte clave de los convertidores de energía que van desde pequeños dispositivos hasta autos eléctricos. El convertidor creado por el equipo de Matioli ofrecía más de tres veces la potencia de un cargador de portátil típico, pero tenía el tamaño de una memoria USB. Lo compara con la evolución de una computadora que una vez llenó una habitación y ahora cabe en un bolsillo. “Podríamos empezar a imaginar lo mismo para la electrónica de potencia en aplicaciones que van desde fuentes de alimentación hasta vehículos eléctricos, inversores solares para paneles solares y todo lo relacionado con la energía”, dice Matioli. “Eso abre muchas posibilidades”.

Su equipo está atrayendo el interés de los fabricantes, pero se negó a entrar en detalles. Para Joshi, la investigación es un primer paso. “Queda más trabajo por hacer en la ampliación del enfoque y su implementación en productos reales”.

en un comentario acompañando al Naturaleza papel, Tiwei Wei, un investigador académico de la Universidad de Stanford que no formó parte del estudio, también dijo que seguían existiendo desafíos para implementar el diseño, incluido el estudio de la longevidad de la capa de nitruro de galio y posibles problemas de fabricación. Pero su trabajo, dice, “es un gran paso hacia sistemas de enfriamiento de bajo costo, ultracompactos y energéticamente eficientes para la electrónica de potencia”.

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