При разработке микропроцессоров следующего поколения лидеры полупроводниковой промышленности столкнулись с рядом препятствий. Поскольку на чипе размещается все больше и больше транзисторов, негативные моменты, связанные с перегревом кремниевых процессоров, грозят свести на нет дальнейший прирост производительности. Традиционные подходы к оптимизации температурного режима CPU вроде использования обычных кулеров становятся все менее эффективными, тогда как применение систем жидкостного охлаждения все еще сопряжено с чрезмерными затратами и риском нарушения работоспособности вычислительной системы по причине попадания на электронику воды в результате нарушения целостности контура СЖО.
Тем не менее, специалисты не прекращают поиск более эффективных, безопасных и дешевых механизмов охлаждения самых “горячих” процессоров, которые зачастую применяются в высокопроизводительных рабочих станциях, серверных системах и HTC-кластерах. К примеру, недавно американские исследователи начали оценку возможностей использования углеродных нанотрубок для удаления тепла от микропроцессорных чипов. По мнению экспертов, этот подход может стать ключом к дальнейшему повышению уровня производительности мощных микропроцессоров с высокой плотностью размещения в ближайшие десятилетия. Кроме того, ожидается, что новая технология будет совместима с одно- и многослойными графеновыми устройствами, производители которых сталкиваются с теми же проблемами в области охлаждения своих продуктов, что и разработчики кремниевых процессоров.
Благодаря партнерству с корпорацией Intel ученые из Национальной лаборатории им. Лоренса в Беркли (Berkeley Lab) разработали уникальную технологию охлаждения микропроцессоров с высоким термопакетом (TDP), которая предполагает использование углеродных нанотрубок в сочетании с органическими молекулами, выступающими в данном случае в качестве связующих агентов. Изучение возможностей новой технологии недавно проводилось в Научно-исследовательском центре по вопросам нанонауки, находящемся в ведении Минэнерго США, группой ученых под руководством физика и специалиста в области материаловедения из Berkeley Lab Фрэнка Оглетри.
Углеродные нанотрубки известны тем, что они имеют очень высокий коэффициент теплопроводности, что крайне полезно при применении их в качестве элемента системы охлаждения микропроцессоров (в случае новой разработки – в теплообменнике, который контактирует непосредственно с металлической защитной крышкой процессора, прилегающей к поверхности кремниевого чипа). Но при этом они также демонстрируют высокое сопротивление тепловому взаимодействию, что до сих пор препятствовало использованию углеродных нанотрубок в качестве охлаждающего агента.
“В плане уровня теплопроводности углеродные нанотрубки превосходят алмазы или любые другие натуральные материалы. Но так как углеродные нанотрубки очень химически стабильны, их химические взаимодействия с большинством других материалов протекают относительно слабо, что обуславливает высокое тепловое сопротивление термоинтерфейса “, говорит Оглетри.
Благодаря поддержке инженеров Intel Нашиекта Раравикара и Рави Прашера команде из Национальной лаборатории им. Лоренса в Беркли удалось увеличить и укрепить контакты между углеродными нанотрубками и поверхностями из определенных материалов, тем самым уменьшая тепловое сопротивление и существенно повышая эффективность переноса тепла.
Решающее значение для успешного завершения исследования имело использование в связке с нановеществом определенных органических молекул. Именно благодаря органическим молекулам американским исследователям удалось создать сильные ковалентные связи между углеродными нанотрубками и металлическими поверхностями. После повышения молекулярного притяжения поток тепла от металлической крышки процессора в направлении углеродных нанотрубок увеличился в шесть раз.
Эксперты отмечают, что данная технология позволяет значительно повысить КПД традиционных кулеров (радиатор + вентилятор) без значительного увеличения их стоимости, закладывая основу для успешного развертывания в дата-центрах и суперкомпьютерных кластерах микропроцессорных чипов следующего поколения, которые будут работать быстрее и эффективнее современных аналогов. А поскольку данный метод также позволяет использовать для отвода тепла паровой или жидкостный хладагенты, он подходит для изготовления еще более эффективных систем жидкостного охлаждения компьютерных чипов. Кроме того, никто не запрещает использовать пластичные вещества на базе углеродных нанотрубок в качестве альтернативы теплопроводной пасте (термопасте) вроде популярной КТП-8.
“Мы разработали теплопроводящие пути на базе ковалентных связей, которые совместимы с оксидообразующими металлами вроде алюминия и кремния, а также с более благородными металлами вроде золота и меди, обладающими более высокой теплопроводностью. Для улучшения взаимодействия между углеродными нанотрубками и обычными металлами использовался аминопропил-триалкоксисилан (APS), тогда как в случае благородных металлов применялся цистеамин “, сказал Оглетри, “В обоих случаях механическое сцепление (адгезия / прилипание) улучшилось настолько, что при попытке разъединить рабочие поверхности (массив углеродных нанотрубок и металлическая крышка процессора) поверхностные связи оказались достаточно сильны, чтобы массив углеродных нанотрубок оторвался от поверхности своей ростовой подложки из кремния. Вполне очевидно, что благодаря всему этому мы смогли значительно улучшить перенос тепла через данный интерфейс”.
Несмотря на тот факт, что первые результаты исследования являются крайне многообещающими, технология все еще требует доработки. Статья с подробным описанием результатов данного исследования была опубликована в журнале Nature Communications под названием “Улучшенный перенос тепловой энергии с помощью интерфейсов на базе ковалентно функционализированного массива углеродных нанотрубок” (Enhanced Thermal Transport at Covalently Functionalized Carbon Nanotube Array Interfaces).
