Задача увеличения числа транзисторов в микропроцессорах для инженеров Intel и AMD особой трудности не представляет. Проблема в том, как отводить большое количество тепла.
Вентиляторы и другие системы отведения тепла не справляются с задачей охлаждения процессоров, разогретых до температур свыше 100 градусов Цельсия, поэтому несколько лет назад производители фактически перестали предпринимать попытки увеличить тактовую частоту и перешли на создание многоядерных процессоров.
В ответ любители игр и сторонники высокой производительности перешли на использование воды, жидкого азота и других экзотических жидкостей для охлаждения своих разогнанных процессоров.
Но поиском новых решений для охлаждения микросхем занимаются не только они. Свое слово сказала и AMD, в январе выпустив новый процессор для настольных систем Phenom II, поддерживающий рекордную тактовую частоту 6,5 ГГц, что стало возможным благодаря охлаждению с помощью жидкого азота. Жидкостное охлаждение вызвало интерес даже у наиболее консервативной части рынка – в сегменте серверов и центров обработки данных.
Однако соседство охлаждающей жидкости и электроники по-прежнему представляется опасным, несмотря на все меры по герметизации.
И вполне возможно, что скоро появится более элегантное решение. Исследователи Intel, RTI International и Университета штата Аризона разработали оригинальный "микрохолодильник", который можно легко и при этом с хирургической точностью смонтировать на микросхеме для отвода тепла с ее нагревающихся участков.
Холодильник на вашей кухне использует механический тепловой насос для сжатия и поддержания циркуляции охлаждающей жидкости, которая поглощает тепло в холодильнике и рассеивает его снаружи.
Схема действия микрохолодильников несколько иная. Это сверхтонкая пленка, образованная термоэлектрическими молекулами, например, теллурида висмута или сурьмы.
Подобные термоэлектрические материалы превращают тепло в электричество. Другими словами, как пояснил Рама Венкатасубраманьян, старший научный сотрудник RTI и один из авторов статьи, опубликованной в январе журналом Nature Nanotechnology, электроны используются для отвода тепла.
Венкатасубраманьян и другие исследователи смогли уменьшить количество тепла в имитируемом процессоре на 15 градусов. Но они с оптимизмом оценивают возможность использования материалов на кремниевой микросхеме с более высокими показателями теплопроводности, таких как усовершенствованные сплавы или кремниевые нанотрубки. Предполагается, что благодаря этому микрохолодильники смогут охлаждать процессор на 40 градусов.
Столь значительное снижение температуры позволит процессору работать быстрее либо производители процессоров смогут устанавливать еще больше транзисторов в одно или несколько ядер.
Еще одним преимуществом микрохолодильников может стать их эффективность. Каждый охладитель можно установить на задней стенке микросхемы специально для отвода тепла с конкретных точек, причем во время работы он будет использовать всего 2–3 Вт.
"Это охлаждение по требованию", - заметил Венкатасубраманьян.
Коммерциализацией технологии, созданной на гранты DARPA, занимается выделившаяся из RTI компания Nextreme Thermal Solutions, где уже два года в должности директора по технологии работает Венкатасубраманьян. Он считает, что эту технологию могли бы использовать Intel и AMD, если бы они не выбрали многоядерный подход. По его прогнозам, в ближайшие три-четыре года производители микропроцессоров не смогут по-прежнему наращивать их производительность, если не попытаются найти альтернативные решения наподобие микрохолодильников.
"Производители графических микросхем также проявляют интерес к технологии охлаждения горячих точек, поскольку при работе таких устройств на очень высокой скорости тоже возникает перегрев в отдельных точках микросхемы, - заметил Венкатасубраманьян.
Однако, какие бы выгоды ни сулили термоэлектрические решения, подобные этим, они не заменят системы отведения тепла или вентиляторы, а будут дополнять их.
Микрохолодильники при работе не только отводят тепло, но и генерируют электричество. Тем не менее Венкатасубраманьян считает, что данная технология не будет действовать так, как работает гибридный автомобиль. "Чем эффективнее эти устройства отводят тепла, тем меньше электричества способны генерировать. Невозможно получить что-то из ничего. И нельзя нарушить второй закон термодинамики".