आज, घने इलेक्ट्रॉनिक्स से निकलने वाली गर्मी एक महंगा संसाधन है। इष्टतम कम्प्यूटेशनल प्रदर्शन के लिए सिस्टम को सही तापमान पर रखने के लिए, यूएस डेटा सेंटर कूलिंग सिस्टम फिलाडेल्फिया के सभी निवासियों के रूप में उतनी ही ऊर्जा और पानी की खपत करता है। अब, तरल शीतलन चैनलों को सीधे सेमीकंडक्टर चिप्स में एकीकृत करके, शोधकर्ताओं को कम से कम बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स में इस नुकसान को कम करने की उम्मीद है, जिससे उन्हें छोटा, सस्ता और कम ऊर्जा-गहन बना दिया जाएगा।
परंपरागत रूप से, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और थर्मल प्रबंधन प्रणालियों को अलग-अलग डिजाइन और निर्मित किया गया है, स्विट्जरलैंड के लॉज़ेन में इकोले पॉलीटेक्निक में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर एलिसन मटिओली कहते हैं। यह बेहतर शीतलन दक्षता के लिए एक मौलिक बाधा प्रस्तुत करता है, क्योंकि गर्मी को हटाने से पहले कई सामग्रियों में अपेक्षाकृत लंबी दूरी तय करनी चाहिए। आज' के प्रोसेसर में, उदाहरण के लिए, गर्म सामग्री के साइफन चिप से भारी, एयर-कूल्ड कॉपर फिन में गर्मी स्थानांतरित करते हैं।
अधिक ऊर्जा कुशल समाधान के लिए, मटिओली और उनके सहयोगियों ने एक कम लागत वाली प्रक्रिया विकसित की जो माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग चैनलों के 3 डी नेटवर्क को सीधे सेमीकंडक्टर चिप में डालती है। तरल हवा से बेहतर गर्मी को दूर करता है, और विचार शीतलक माइक्रोमीटर को चिप पर गर्म स्थान से दूर रखना है।
लेकिन पहले रिपोर्ट किए गए माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग के विपरीत, उन्होंने कहा, [जीजी] उद्धरण; हम शुरुआत से ही इलेक्ट्रॉनिक्स और कूलिंग सिस्टम को डिजाइन करते हैं। [जीजी] उद्धरण; इस प्रकार, माइक्रोचैनल प्रत्येक ट्रांजिस्टर डिवाइस के सक्रिय क्षेत्र के ठीक नीचे स्थित होता है, जहां यह अपने उच्चतम तापमान पर होता है, जो शीतलन प्रदर्शन को 50 के कारक से बढ़ाता है। उन्होंने प्रकृति के हालिया अंक में अपनी संयुक्त डिजाइन अवधारणा की सूचना दी।
शोधकर्ताओं ने 1981 की शुरुआत में माइक्रोचैनल कूलिंग तकनीक का प्रस्ताव रखा था, और कूली जैसे स्टार्टअप वर्षों से प्रोसेसर के विचार का अनुसरण कर रहे हैं। लेकिन अर्धचालक उद्योग प्लानर उपकरणों से त्रि-आयामी उपकरणों की ओर बढ़ रहा है और बहुपरत संरचनाओं के साथ भविष्य के चिप्स की ओर बढ़ रहा है, जिससे शीतलन चैनल अव्यावहारिक हो गए हैं। [जीजी] उद्धरण; यह एम्बेडेड कूलिंग समाधान आधुनिक प्रोसेसर और चिप्स जैसे सीपीयू, [जीजी] के लिए उपयुक्त नहीं है; TiweiWei ने कहा, जो बेल्जियम में Interuniversity Microelectronics Center और KU Luuven में इलेक्ट्रॉनिक कूलिंग सॉल्यूशंस पर शोध करता है। [जीजी] quot; इसके बजाय, यह शीतलन तकनीक बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सबसे अधिक समझ में आता है, [जीजी] उद्धरण; उसने कहा।
पावर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट विद्युत ऊर्जा का प्रबंधन और रूपांतरण करते हैं और कंप्यूटर, डेटा सेंटर, सौर पैनल और इलेक्ट्रिक वाहनों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। उन्होंने गैलियम नाइट्राइड जैसे वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स से बने बड़े क्षेत्र के असतत उपकरणों का इस्तेमाल किया। इन उपकरणों की शक्ति घनत्व पिछले कुछ वर्षों में आसमान छू गया है, जिसका अर्थ है कि उन्हें [जीजी] quot;एक विशाल रेडिएटर से जुड़ा होना चाहिए, [जीजी] quot; मतोली ने कहा।
हाल ही में, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स मॉड्यूल या तो कोल्ड प्लेट या माइक्रोचैनल कूलिंग सिस्टम के माध्यम से लिक्विड कूलिंग में स्थानांतरित हो गए हैं। लेकिन, अब तक, सभी माइक्रोचैनल कूलिंग सिस्टम अलग-अलग निर्मित किए गए हैं और फिर चिप के साथ जोड़ दिए गए हैं। बंधन परत गर्मी प्रतिरोध जोड़ती है, चैनल और सर्किट उपकरण कसकर गठबंधन नहीं होते हैं।
[जीजी] उद्धरण;हम इसे अगले स्तर पर ले गए, [जीजी] उद्धरण; माटोली कहते हैं, एक ही चिप में डिवाइस और कूलिंग चैनल बनाकर। उन्होंने सिलिकॉन सब्सट्रेट पर लेपित गैलियम नाइट्राइड की एक परत में माइक्रोन-चौड़ी दरारें खोदीं। भट्ठा लंबाई 30μm, गहरा 115μm। विशेष गैस नक़्क़ाशी तकनीकों का उपयोग करके, वे चैनल बनाने के लिए सिलिकॉन सब्सट्रेट में अंतराल को चौड़ा करते हैं जिसके माध्यम से तरल शीतलक गुजरता है।
शोधकर्ताओं ने तब तांबे का उपयोग गैलियम नाइट्राइड की परतों में छोटे उद्घाटन को सील करने और उन पर उपकरणों का निर्माण करने के लिए किया था। [जीजी] quot; हमारे पास वेफर के छोटे क्षेत्रों में केवल माइक्रोचैनल हैं जो प्रत्येक ट्रांजिस्टर के संपर्क में हैं, [जीजी] quot; उसने कहा। यह तकनीक को और अधिक प्रभावी बनाता है क्योंकि हम आस-पास से बहुत अधिक गर्मी निकाल सकते हैं, लेकिन हमारे द्वारा उपयोग की जाने वाली पंपिंग शक्ति बहुत कम है। [जीजी] उद्धरण;
एक प्रदर्शन के रूप में, शोधकर्ताओं ने एक एसी-डीसी रेक्टिफायर सर्किट बनाया जिसमें चार शोट्की डायोड शामिल थे, जिनमें से प्रत्येक 1.2kV वोल्टेज को संभालने में सक्षम था। इस तरह के सर्किट में आमतौर पर मुट्ठी के आकार के रेडिएटर की आवश्यकता होती है। लेकिन लिक्विड कूलिंग सिस्टम वाली सर्किट चिप एक यूएसबी फ्लैश ड्राइव के आकार के प्रिंटेड सर्किट बोर्ड पर लगाई जाती है। चिप में शीतलक पहुंचाने के लिए सर्किट बोर्ड में तीन परतें होती हैं जिनमें चैनल खुदे होते हैं।
प्रदर्शन से पता चलता है कि 1,700 वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर से अधिक की शक्ति घनत्व वाले हॉट स्पॉट को केवल 0.57 वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर पंपिंग शक्ति का उपयोग करके ठंडा किया जा सकता है। यह पहले बताए गए माइक्रोफ्लुइडिक चैनल कूलिंग की तुलना में प्रदर्शन में 50 गुना सुधार है।
[जीजी] उद्धरण; गैलियम नाइट्राइड फिल्मों और तांबे की मुहरों की विश्वसनीयता का समय के साथ अध्ययन किया जाना चाहिए। लेकिन यह अभिनव शीतलन समाधान कम लागत, अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट और ऊर्जा कुशल बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स शीतलन प्रणाली की दिशा में एक बड़ा कदम है।