Una serie de enfriadores de procesadores impresos en 3D fue una de las presentaciones más interesantes en ITF World, una conferencia organizada por el gigante de investigación de chips imec en Amberes, Bélgica. Estos prototipos de bloques de agua aumentan la capacidad de enfriar procesadores densos, como CPU y GPU, hasta 3,5 veces más que los tipos de solución que vemos en los mejores enfriadores de CPU en la actualidad, lo que permite una mayor densidad de potencia y desbloquea un rendimiento sin explotar en los chips modernos. Los resultados de esta investigación podrían conducir a nuevos enfriadores de agua radicales para todo tipo de chips.
Enfriamiento de matriz desnuda que fuerza el líquido directamente sobre el chip del procesador se perfila como uno de los pasos más obvios para lidiar con el exceso de calor generado por los chips más nuevos, e imec está liderando el camino con nuevas técnicas para desbloquear el rendimiento completo de los nodos de proceso más densos. Eso se está volviendo más importante con cada nueva generación de chips a medida que el consumo de energía se dispara debido a la disminución de la escala de reducción de energía con nodos más pequeños. Además, los transistores más pequeños aumentan la densidad de potencia, lo que complica los esfuerzos de enfriamiento y, en última instancia, restringe el rendimiento del chip.
El objetivo final de los diseñadores de chips es hacer más trabajo en un espacio más pequeño. Aún así, los chips de hoy ya tienen limitaciones de energía y las áreas de ‘silicio oscuro’ se apagan mientras el chip está funcionando para permanecer dentro de ciertos límites de temperatura y TDP. Eso significa que la mayoría de los chips utilizan solo una parte de su potencial durante el funcionamiento normal. Además, el problema solo se intensifica con cada generación de chips: las CPU modernas como Epyc Genoa de AMD ya superan los 400 W, y las hojas de ruta apuntan a chips de servidor de 600 W en el futuro.
En contraste con los enfoques estándar de enfriamiento por agua que usan un bloque de agua autónomo que tiene una placa fría acoplada con un disipador de calor de chip para enfriar el procesador, los enfriadores prototipo impresos en 3D que se muestran en el álbum a continuación fuerzan el líquido directamente sobre el procesador desnudo, por lo tanto mejorando las capacidades de enfriamiento bombeando refrigerante directamente a la superficie del procesador.
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Los bloques de agua impresos en 3D permiten la creación rápida de prototipos, e imec utiliza diferentes tipos de polímeros estándar utilizados en la impresión 3D para garantizar que los bloques de agua puedan soportar las cargas de temperatura. No está claro si uno podría imprimir estos diseños en una de las mejores impresoras 3D.
Los bloques de agua impresos en 3D se pueden personalizar de varias maneras diferentes, con matrices de boquillas personalizadas (puedes verlas en las imágenes) que lanzan líquido directamente sobre la superficie del chip en áreas específicas, como directamente sobre núcleos individuales o áreas que generan mucho calor. del chip utilizado para operaciones vectoriales, para mejorar las capacidades de refrigeración.
Los bloques de agua también se ajustan a la medida para ocupar la menor cantidad de espacio posible y actualmente usan una junta tórica para evitar la filtración de líquido alrededor del bloque de agua. Naturalmente, imec está experimentando con varios tipos diferentes de mecanismos de sellado y diferentes tipos de materiales de impresión 3D para los bloques.
Casi cualquier líquido dieléctrico se puede utilizar con estos enfriadores, como agua tratada o refrigerantes. Naturalmente, a pesar de que el líquido no es conductor, el enfriamiento líquido de matriz desnuda requiere sellar las áreas alrededor del chip, como los capacitores y otros circuitos electrónicos en la PCB. Sin embargo, para mantener el refrigerante lo más cerca posible de la viruta, la parte superior de la matriz no tiene sellador alguno. Los investigadores bombean el líquido directamente sobre la superficie lisa del troquel, pero otros enfoques, como agregar estrías en la parte superior del troquel, pueden desbloquear aún más el rendimiento de enfriamiento.
Los selladores plantean desafíos de confiabilidad a largo plazo debido a los rápidos ciclos térmicos y las interacciones con los diversos refrigerantes utilizados en el sistema. Aún así, imec está trabajando metódicamente para encontrar la combinación correcta de todos los materiales para garantizar la confiabilidad a largo plazo.
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El álbum anterior contiene varias diapositivas que describen los experimentos del investigador. En general, enfriar más de 100 W de potencia por centímetro cuadrado ha demostrado ser increíblemente problemático, lo que lleva a una regla general de que distribuir 1 W de potencia en 1 MM cuadrado de silicio permite un enfriamiento efectivo. Sin embargo, la densidad de energía se está disparando con nodos de proceso más pequeños, por lo que aumentar la capacidad de eliminar el calor de las concentraciones de energía más altas es fundamental para continuar desbloqueando un rendimiento adicional.
Recuerde, un mayor consumo de energía a menudo equivale a un mayor rendimiento del chip (hay advertencias: la eficiencia puede verse afectada). Los investigadores de imec nos dicen que pueden enfriar hasta 1000 W en un solo centímetro cuadrado (100 W por mm ^ 2), o incluso hasta 500 W en un solo mm ^ 2, pero ese tipo de rendimiento de enfriamiento no es representativo de típico rendimiento porque no se adapta bien a un chip completo.
En aplicaciones comunes, estos enfriadores de chips podrían permitir hasta 350 W de capacidad de enfriamiento por centímetro cuadrado, o alrededor de 3,5 W por mm^2, un aumento de 3,5 veces más que lo que se ve comúnmente en la actualidad. Como se muestra en el álbum anterior, esto permitirá a los diseñadores de chips continuar superando los límites del rendimiento con un método comparativamente más conservador que las soluciones de enfriamiento monofásicas y bifásicas que se requerirían para extenderse más allá de 4W por mm^2.
Naturalmente, esta es una visión simplista de cómo se comportarían estas soluciones de enfriamiento, con muchas otras variables, como deltas de temperatura y otros factores, que se requieren para medir los diversos méritos del enfoque correctamente. Sin embargo, una cosa es segura: este enfoque marca una de las formas más fáciles de aumentar las capacidades de enfriamiento con una cantidad razonable de aumento de costos. Otras técnicas, como la investigación de TSMC que propone bombear refrigerante a través de microcanales dentro del propio chip, son obviamente mucho más exóticas y, por lo tanto, costosas y más lejanas en el horizonte.
Los esfuerzos de Imec aún se encuentran en la fase de investigación, ya que los investigadores trabajan en la identificación de los materiales, líquidos y diseños correctos que permitirán la creación de soluciones de enfriamiento producidas en masa, y es probable que los primeros productos de esta investigación tarden cinco años en filtrarse a mercado.