Çığır Açan Soğutma Teknolojisi, Yeni Nesil Elektronikler İçin Yedi Kat Performans Artışının Kilidini Açıyor

Çığır Açan Soğutma Teknolojisi, Yeni Nesil Elektronikler İçin Yedi Kat Performans Artışının Kilidini Açıyor

Moore Yasası'nın amansızca ilerlemesi, elektroniği daha küçük, daha hızlı ve daha güçlü hale getirdi, ancak baş döndürücü bir maliyetle: ısı. Transistörler yongalara daha sıkı bir şekilde yerleştirildiğinde, üretilen ısı performansı ve güvenilirliği kısa devre yapma potansiyeline sahip.

Tokyo Üniversitesi, Endüstri Bilimleri Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, inanılmaz bir çözüm geliştirdiler: Kaynayan suyun gizli ısısından yararlanarak soğutma verimliliğini yedi kat artıran bir soğutma sistemi.

Geleneksel soğutma ekipmanı, suyun hissedilir ısısına veya yongalara entegre edilmiş mikro kanallar gibi faz değişimi olmadan suyun sıcaklığındaki artışa verilen enerjiye dayanır. Kaynama veya buharlaşma yoluyla emilen gizli ısı yaklaşık yedi kat daha fazladır.

Bu kadar olağanüstü termal potansiyel mevcutken, bilim insanları elektronikte termal yönetimde devrim yaratacak iki fazlı bir soğutma sistemi önermeyi düşündüler. Cell Reports Physical Science'da yayınlanan araştırmanın baş yazarı Hong Yuan Shi, "Suyun gizli ısısından yararlanılarak iki fazlı soğutma elde edilebilir ve bu da ısı dağılımı açısından önemli bir verimlilik artışıyla sonuçlanır" dedi.

Dikkat çekici olan, çip içinde üç boyutlu mikroakışkan kanalların, kılcal yapıların ve bir manifold dağıtım katmanının entegrasyonudur; bu, heyecan verici bir yeniliktir. Son derece yüksek doğrulukta tasarlanan kanallar, maksimum soğutma sıvısı akışını, yüksek ısı değişimini ve iki fazlı soğutma sistemlerinin bildirilen bir eksikliği olan buhar kabarcıklarından kaynaklanan zorlukların önlenmesini kolaylaştırır.

Araştırmacılar farklı kılcal geometriler üzerinde deneyler yaptı ve mikrokanal şeklinin ve manifoldun sistemin hidrolik ve termal performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu sonucuna vardı. Süper yüksek performanslı soğutma sisteminin performans katsayısı (COP) 105 kadar yüksekti. COP, yararlı soğutma çıktısının giriş enerjisine oranını ölçen bir katsayıdır.

Verimli sistemler genellikle karşılık gelen yüksek bir COP ile başlar ve bu radikal bir iyileştirmedir, burada COP genellikle olağan soğutma işlemlerinden gelir. Çalışmanın kıdemli yazarı Masahiro Nomura daha geniş potansiyelini vurguladı: "Yüksek güçlü elektronik cihazların termal yönetimi, yeni nesil teknolojinin geliştirilmesi için çok önemlidir ve tasarımımız gereken soğutmayı elde etmek için yeni yollar açabilir."

Bu teknoloji yalnızca tüketici elektroniğinin ömrünü uzatmakla sınırlı değildir. Lazer, fotodedektörler, otomotiv ve havacılık, ısı dağıtımında verimli olması gereken sistemlerdir; bu nedenle, dünya çapında bir sorundur. Özellikle ilgi çekici olan, bu sistemin faz değişimine dayalı pasifleştirilmesi de dünyanın sürdürülebilirlik hedeflerinden bazılarını yansıtmaktadır. Bu teknoloji aynı anda enerji tasarrufu sağlayacak ve ısıyı boşa harcayacak ve umarız karbon nötrlüğünün elde edilmesine önemli ölçüde katkıda bulunacaktır. Mikroakışkan soğutmanın temel ilkesi çok da yeni değildir.

Kavram, Stanford Üniversitesi bilim insanları David Tuckerman ve R.F. Pease, ısı dağılımını iyileştirmek için soğutucularda kazınmış mikro kanalların kullanılmasını önerdi. Teknolojinin ortaya çıkışından bu yana, teknolojide çok sayıda iyileştirme gerçekleşti, bunların en büyüğü silikon çipin kendisinde mikroakışkan soğutma katmanlarının kullanılmasıdır. Örneğin, 2020'de École Poly-technique Federals de Lausanne araştırmacıları, santimetrekare başına 1,7 kW güç yoğunluğuna sahip çiplerde 3 boyutlu bir mikrokanal ağının kavram kanıtını gösterdiler ki bu oldukça olağanüstü.

Tokyo araştırmacılarının çalışmalarında benzersiz olan şey, iki fazlı soğutmaya ve manifold ve kılcal yapının dikkatli mühendisliğine dikkat edilmesidir. Bu yöntem, tepe ısı çıkarımının kullanımı yoluyla soğutuculara veya soğutuculara ihtiyaç duymaz ve sistem karmaşıklığını azaltır. Bu, inanılmaz bir cihaz yelpazesine girebilen ölçeklenebilir ancak kompakt ve verimli bir çözüm üretir.

Elektroniklerin performans gereksinimi ne kadar yüksekse, karmaşık termal yönetime olan ihtiyaç da o kadar artar. Yetersiz soğutma yalnızca bir cihazın kapasitesini engellemekle kalmayıp aynı zamanda ömrünü kısaltır ve arıza riskini artırırken, bu sorunları kaynağında düzeltmek, çipin yüksek performanslı ve sürdürülebilir yeni nesil elektronik sistemlere bir pencere açmasını sağlar.

Vaat çok büyük. Mimarların artık günümüzde çiplerin gerçek potansiyelinden en iyi şekilde yararlanmasını sağlayacak - daha önce karanlık olan bazı "karanlık silikon" bölgelerini aydınlatmak ve daha yüksek güç yoğunluklarına doğru ilerlemek. Belki de daha düşük güç tüketimine sahip daha hızlı, daha güvenilir cihazlar ortaya çıkaracaktır - veri merkezleri gibi güç kullanım bölgeleri, artan enerji ihtiyaçlarını karşılamak için giderek daha fazla çabalıyor.

Tokyo Üniversitesi araştırması, bu kadar derinlemesine çok yönlü zorlukların üstesinden gelmek için gerekli olacak disiplinler arası bir ekip çalışmasıdır.

Akışkan dinamiği mühendisliği, malzeme bilimi ve mikro mühendisliğin birleşimiyle, bilim insanları yalnızca termal yönetim sınırlarını genişletmekle kalmadı, aynı zamanda elektronikte yepyeni bir inovasyon çağını da mümkün kıldı.

Bu teknolojiler laboratuvardan çıkıp ana akım kullanıma girdiğinde, yüksek performanslı bilgi işlem dünyasını ve ötesini yeniden tanımlama gücüne sahipler.

Kaynak: MEM