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Puces de refroidissement avec thermoélectrique
Si vous pouviez retirer les couches de circuits de votre ordinateur et toucher le processeur principal pendant qu'il exécute une vidéo, vous sentiriez sa chaleur fulgurante, qui peut dépasser 100 °C. Une telle chaleur, un sous-produit naturel de la navette des électrons à travers les transistors, peut nuire aux performances et même endommager le processeur à long terme. Traditionnellement, les ingénieurs ont utilisé de simples plaques de cuivre pour évacuer la chaleur et des ventilateurs ou des systèmes de refroidissement à base de liquide. Mais ces systèmes sont encombrants et peuvent saper l'énergie.
Réfrigération des chips : Le refroidisseur thermoélectrique illustré ci-dessus (carré d'or central) est fixé à une plaque de cuivre qui est utilisée pour diffuser la chaleur loin des points chauds sur les puces.
Aujourd'hui, des chercheurs d'Intel, de RTI International de Caroline du Nord et de l'Université d'État de l'Arizona ont montré qu'il est possible de construire un microréfrigérateur efficace qui peut cibler les points chauds sur les puces, économisant de l'énergie et de l'espace et refroidissant plus efficacement l'ensemble du système. Leurs travaux démontrent également, pour la première fois, qu'il est possible d'intégrer un matériau thermoélectrique dans l'emballage des puces, rendant la technologie plus pratique que jamais. Un article détaillant la recherche vient d'être publié dans Nature Nanotechnologie .
La technologie fondamentale utilisée pour refroidir la puce, un refroidisseur thermoélectrique, n'est pas nouvelle, explique Rama Venkatasubramanian , directeur de recherche senior au Center for Solid State Energetics de RTI International. Dans un La nature article de 2001, lui et son équipe ont montré qu'un matériau appelé super-réseau nanostructuré à couche mince a des propriétés thermiques supérieures à celles d'autres types de matériaux thermoélectriques minces : le super-réseau conduit bien l'électricité mais entrave le flux de chaleur. Lorsqu'un courant électrique traverse le matériau, sa température peut chuter à environ 55 °C.
Les gens parlent depuis des années d'utiliser des matériaux thermoélectriques à haute efficacité pour refroidir les points chauds sur les puces, explique Ravi Prasher, directeur d'Intel. Il dit qu'une partie de la raison pour laquelle lui et ses collègues ont réussi est parce qu'ils ont utilisé un matériau qui a montré des propriétés thermiques exceptionnelles, et ils se sont appuyés sur les connaissances d'Intel en matière d'emballage de puces pour construire un système thermoélectrique intégré qui a été conçu pour s'adapter au les limites du boîtier d'une puce.
Pour mettre le microréfrigérateur dans l'emballage de la puce, les ingénieurs ont intégré le refroidisseur sur un carré de cuivre, tout comme le type déjà utilisé dans l'emballage des puces pour disperser la chaleur. Habituellement, ce morceau de cuivre est en contact étroit avec la puce, mais les chercheurs ont placé le refroidisseur de 0,4 millimètre carré entre la puce et le cuivre. Lorsque le microréfrigérateur a été allumé, il a refroidi une région localisée sur la puce d'environ 15 °C. C'est important, dit Venkatasubramanian, car de manière générale, pour chaque augmentation de cinq degrés de la température de la puce, il y a une diminution marquée de la fiabilité et des performances d'une puce. Dans la démonstration, les chercheurs n'ont utilisé qu'un seul micro-réfrigérant mais prévoient d'en utiliser trois ou quatre par puce, pour couvrir les zones les plus chaudes.
Cependant, les performances n'étaient même pas proches de la quantité maximale de refroidissement dont le microréfrigérateur est capable lorsqu'il n'est pas confiné au boîtier de la puce. Nous avons trouvé de bonnes performances, dit Venkatasubramanian, mais il reste encore beaucoup de défis. Lorsque les ingénieurs placent le refroidisseur à l'intérieur de l'emballage, il existe un certain nombre de points de contact supplémentaires où le refroidisseur est connecté à la plaque de cuivre et à l'électronique de l'emballage, dit-il. Prasher explique que les caractéristiques thermiques de ces contacts jouent un rôle important dans la réduction de l'efficacité du refroidisseur : en soi, [la réduction de la résistance des contacts thermiques] est un domaine de recherche important. Les gens explorent différents types de soudure et même des nanotubes de carbone pour réduire la résistance à l'interface, dit-il, mais le problème doit encore être résolu.
Quand même, Ali Shakouri , professeur de génie électrique à l'Université de Californie à Santa Cruz, est impressionné par le travail accompli jusqu'à présent. C'est une belle réussite, dit-il. L'idée [qu'] il y a une répartition inégale de la température dans un microprocesseur, et qu'en refroidissant sélectivement certains emplacements, vous pouvez faire un meilleur travail et économiser de l'énergie, existe depuis un certain temps, mais cela n'avait pas été démontré sur une puce auparavant .
Shakouri note qu'à mesure que l'industrie des microprocesseurs utilise plusieurs cœurs ou centres de traitement sur une puce, le problème des points chauds s'aggravera, car les charges de travail sont déplacées d'un cœur à l'autre, créant plus de points chauds transitoires. Les ventilateurs, utilisés dans de nombreux ordinateurs aujourd'hui, ne répondent pas rapidement ou efficacement. Si vous pouviez avoir sélectivement des microréfrigérateurs dans une puce multicœur, dit-il, vous pourriez réduire la puissance et augmenter les performances.
Les chercheurs n'ont pas de calendrier de commercialisation. À l'heure actuelle, même si le refroidisseur pouvait être incorporé dans un emballage de puce traditionnel, son coût serait toujours prohibitif. Après tout, dit Venkatasubramanian, l'ajout d'un refroidisseur revient essentiellement à ajouter une toute nouvelle couche d'électronique à une puce. Il dit que si le coût et l'évolutivité de ces refroidisseurs peuvent être résolus, alors il est convaincu qu'ils trouveront un marché.