Onderzoekers passen koeling voor 3d-chips toe met microkanalen

Wetenschappers van de Purdue University hebben een koelmethode voor chips ontwikkeld die werkt door vloeistof in kanalen van ongeveer tien micrometer breed te injecteren. De koeltechniek zou onder andere op 3d-chips toe te passen zijn.

Onderzoekers experimenteren al langer met de integratie van microkanalen op chips, maar het team van Purdue University heeft de breedte met een factor tien teruggebracht tot 10 tot 15 micrometer. Bovendien is het ontwerp zo aangepast dat de vloeistof eenvoudiger in de kanalen te injecteren is. Bij eerdere experimenten werden kanalen met een lengte van wel 5000 micrometer in het silicium geëtst, wat het pompen van de vloeistof bemoeilijkte, maar de onderzoekers gebruiken nu aanzienlijk kortere lijntjes, van 250 tot 300 micrometer.

De onderzoekers hebben een prototype met chipoppervlak van 5x5mm ontwikkeld. Ze gebruiken de koelvloeistof HFE-7100 voor een rooster van drie bij drie heatsinks met de microkanalen. Aan de achterkant van de chip plaatsten ze een verwarmingselement en sensoren om de temperatuur te meten. Bij gebruik van een heatsink met kanalen van 15 micrometer breed en 300 micrometer lang, bedroeg de dissipatie 910W/cm².

Op het heetste punt van de chip bereikt de vloeistof zijn kookpunt. "Door de vloeistof te laten koken, neemt de mate waarin warmte verwijderd kan worden flink toe, in vergelijking met het simpelweg verwarmen van de vloeistof tot onder zijn kookpunt", stelt Purdue-student Kevin Drummond, die meehielp bij het onderzoek.

De koelmethode moet onder andere een oplossing vormen voor het probleem dat chipfabrikanten hun toevlucht nemen tot het stapelen van chips om de prestaties te verbeteren. "Normaal gesproken heeft elke laag zijn eigen systeem bevestigd om warmte te verwijderen. Zodra je ook maar twee chips gestapeld hebt, moet de onderste minder verbruiken, omdat deze niet direct gekoeld kan worden", meldt Justin Weibel, professor van Purdue's School of Mechanical Engineering.

Het onderzoek is mede gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency van de Amerikaanse overheid. Darpa hanteert een doel van 1000W/cm² voor de koeling voor toekomstige high performance computing, iets wat het team nagenoeg bereikt heeft. De koeltechniek zou voor supercomputers en radarelektronica gebruikt kunnen worden.

De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in een onderzoek met de naam A hierarchical manifold microchannel heat sink array for high-heat-flux two-phase cooling of electronics, dat ze publiceren in het wetenschappelijke tijdschrift International Journal of Heat and Mass Transfer.

Reacties (44)

[cappie]

hoe snel koekt dit dicht met residu wat opgenomen wordt vanuit tubing en/of andere plekken?

[EjjE101]

deze vloeistof laat geen residu achter, zie tekst in beschrijving van vloeistof.

The high boiling point and low surface tension of Novec 7100 fluid make it ideal for use in vapor degreasing
applications as a neat (pure), azeotropic component or co-solvent parts cleaner. In addition, its chemical and
thermal stability, non-flammability and low toxicity make it useful for many other industrial and specialty
solvent applications

[Reactie gewijzigd door EjjE101 op 22 juli 2024 15:32]

[Isocadia]

Het gaat ook niet door je standaard tubing gok ik. Er zal wel een gesloten systeem op de chip geplaatst moeten worden waar je dan reguliere koelvloeistof langs kan laten stromen.

[EjjE101]

Ja idd dit is allemaal in de chip. Er zal nogsteeds een heatsink boven op de chip moeten worden geplaatst.

[teacup]

Zelf verwacht ik ook dat het een gesloten systeem is, een soort micro heat tubes, hele kleine en dunne versies van de heat tubes die we ook van onze CPU koelers kennen. Dit leid ik af uit het feit dat de effectiviteit omhoog vliegt wanneer de koelvloeistof gaat koken. Er ontstaat blijkbaar een vloeistof-damp-vloeistof kringloopje, en met verdampingswarmte en condensatiewarmte is veel warmte af te voeren. Ik heb wel onderzoeks verslagen langs zien komen die terugsloegen op dit soort heat tubes.

Dat ze bij de originele lengte van 5000 micrometer een probleem hadden heeft vermoed ik met de capillairwerking te maken. Op zich trekt vloeistof wel makkelijk in een dergelijke dunne leider, erg veel invloed op die vloeistof heb je denk ik niet.

[Reactie gewijzigd door teacup op 22 juli 2024 15:32]

[gubyan]

low toxicity... gelukkig niet al te giftig phew

[Vayra]

Je moet je CPU ook niet aflikken, waterkoeling werkt zo niet

[the_stickie]

In het licht van afvalverwerking is dat toch wel prettig. Electronica bevat al heel veel toxische en/of kostbare stoffen, en het is niet evident die uit het milieu te houden

[hahaha2223]

Ik ga ervan uit dat dit een beetje werkt als de vapor chamber, om heat tussen de chip vandaan naar een groter stukkie metaal te brengen waar je makkelijker een koeler op vast kan maken

[koelpasta]

Hoezo wordt dit passieve koeleing genoemd? Vloeistof injecteren lijkt mij min of meer de definitie van actieve koeling. Er wordt energie toegevoegd om de warmte te verplaatsen. Hartstikke actief dus.

[OddesE]

Ik snap het ook niet (en ook niet waarom je offtopic werd gemod).

Ik vind passieve cooling echt super interessant en vraag me nu dus af of dit door Tweakers erbij bedacht is of dat de oorspronkelijke onderzoekers over passieve cooling spreken. Er zijn manieren om vloeistof zich te laten verplaatsen puur en alleen door de warmtebron te gebruiken (dus zonder externe energiebron). Echter dit wordt maar heel weinig toegepast. Op het moment is de meeste passieve koeling gewoon een gigantisch radiatorblok en dan de CPU/GPU etc op laag vermogen draaien zodat de warmte kan ontsnappen. Wat je krijgt is relatief weinig computing power in een relatief grote case... die dus voornamelijk gevuld is met een koelblok. Sommige cases nemen de rol van koelblok over. Dan is de body van de case zelf hetgeen dat warm wordt en dit afstaat aan de omgeving.

[koelpasta]

Ik snap het ook niet (en ook niet waarom je offtopic werd gemod).

Gelukkig is het nu weer +1

Ik vind passieve cooling echt super interessant en vraag me nu dus af of dit door Tweakers erbij bedacht is of dat de oorspronkelijke onderzoekers over passieve cooling spreken.

Het onderzoek beweert niet dat het om passieve koeleing gaat en spreekt van rondpompen en injecteren.
Ik denk dus inderdaad dat de redactie heeft zitten slapen.

Er zijn manieren om vloeistof zich te laten verplaatsen puur en alleen door de warmtebron te gebruiken (dus zonder externe energiebron).

Ik denk dat zoiets per definitie gepaard gaat met horten en stoten en als dat de aandrijving was dat zou de flow van de koelvloeistof de hele tijd haperen.
Bij microchannels is zgn. laminar flow een belangrijk element en dit verkrijg je door de vloeistof juist stabiel te laten vloeien.

Waar dit uiteindelijk om gaat is koeling in de chip. Dit systeem zorgt ervoor dat hitte die diep in de die opgewekt wordt snel naar de buitenkant kan worden verplaatst.
Hoe de warmte aldaar vervolgens wordt weggeleidt doet er niet toe. Dit zal afhangen van de toepassing en zal zowel passief als actief kunnen zijn afhankelijk van de hoeveelheid warmte die de chip opwekt.

Let op, dit koelsysteem betekent dus niet dat de chip als geheel koeler zal opereren.
Integendeel zelfs, de chip kan nu efficienter meer warmte opwekken en niet kapot gaan.
Je hebt dus juist een grotere kans dat deze chips extern aan een koeler moeten. Puur omdat ze in staat zijn on-die meer warmte te produceren.

[OddesE]

Ik vermoed dat bij zulke dunne kanalen capillaire werking wel eens gebruikt zou kunnen worden. Vervolgens zou de vloeistof naar een breder kanaal kunnen gaan waardoor hij (door de zwaartekracht) weer naar beneden zakt. En zo kun je het rond laten stromen. Afhankelijk van hoeveel kanalen er zijn en hoe effectief het werkt hoeft de vloeistof wellicht niet per sé heel snel te stromen.

Ik blijf er van dromen i.i.g.

[koelpasta]

Ik vermoed dat bij zulke dunne kanalen capillaire werking wel eens gebruikt zou kunnen worden.

Ik denk wel dat ze ongetwijfeld met capilaire werking rekening houden maar volgens mij is dat niet waarom het werkt. Sterker nog, ik denk dat het ze eerder tegenwerkt omdat door capillaire werking de vloeistof geneigd zal zijn in de kanalen te blijven.

Zoals ik het lees is er een algemeen probleem met het persen van de vloeistof door de microscopische kanaaltjes wat door deze mensen is opgelost door kortere kanaaltjes te fabriceren.

[OddesE]

Sterker nog, ik denk dat het ze eerder tegenwerkt omdat door capilaire werking de vloeistof geneigd zal zijn in de kanalen te blijven.

Goed punt. Had ik nog niet aan gedacht maar zal wel kloppen dit ja.

Toch zou het moeten kunnen. Het is geen perpetuum mobile want er is nog steeds een krachtbron. De warmtebron van de chip zelf... Maar het zal vast niet makkelijk zijn anders was het er al lang.

Ik blijf maar hopen op een passief gekoelde desktop of game console die ook stevige prestaties neer weet te zetten zonder fans er in.

[koelpasta]

Toch zou het moeten kunnen. Het is geen perpetuum mobile want er is nog steeds een krachtbron.

Met krachtbron neem ik aan dat je de hitte bedoelt.
In dat opzicht zou capillaire werking denk ik best onderdeel uit kunnen maken van een koelsysteem.
Maar capillariteit op zich is wel een soort perpetuum mobile idee natuurlijk. Het balanceert krachten uit maar genereert geen energie.

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 22 juli 2024 15:32]

[OddesE]

Ja precies. Door de warmte zet de vloeistof uit... als die afkoelt krimpt die weer. Dat zou je slim moeten combineren met kanalen van de juiste dikte om de vloeistof onder invloed van warmte automatisch rond te laten stromen.

Ik heb overigens een idee voor een design voor een koelblok waarbij je een luchtstroom creëert met grofweg dezelfde principes... koele lucht over de proc laten stromen, die dan door de warmte opstijgt. Dan boven de proc een gigantisch koelblok / radiator die de lucht binnenin gevangen houdt met een steeds smaller wordend kanaal naar boven toe. Helemaal bovenaan uit laten komen bij een outlet waardoor de warme lucht de casing uit 'geblazen' wordt. Zelfde effect als dat je boven de verwarming de opstijgende lucht voelt.

Veel koelblokken staan de warmte af in de case... niet echt handig eigenlijk.

Anyway we dwalen af

[ajolla]

Nee, de capillaire werking helpt volgens mij alleen maar om de vloeistof in de kanalen te krijgen.
Maar het moet ook nog rondgepompt worden, en ik vermoed dat de flow door dergelijke dunne kanaaltjes uit zichzelf (de capillaire werking helpt slechts de verdampte vloeistof aan te vullen) onvoldoende is om de flow zo groot te krijgen dat er genoeg warmte wordt afgevoerd.
Ik denk dat ze daarom injecteren (of ook wel pompen genoemd).

[TheekAzzaBreek]

[...]
Het onderzoek beweert niet dat het om passieve koeleing gaat en spreekt van rondpompen en injecteren.
Ik denk dus inderdaad dat de redactie heeft zitten slapen.
[...]

Uit het interview:

The new approach improves efficiency by eliminating the need to attach cooling devices to chips.

Heel erg duidelijk is het niet, maar je kan je voorstellen iemand daar 'passief' in leest.
Ik kan het me alleen absoluut niet voorstellen. 1 kW/cm² is nogal wat, heel mooi dat je het kan opnemen, maar je zal het ook weer ergens moeten afgeven.

[koelpasta]

Heel erg duidelijk is het niet, maar je kan je voorstellen iemand daar 'passief' in leest.
Ik kan het me alleen absoluut niet voorstellen. 1 kW/cm2 is nogal wat, heel mooi dat je het kan opnemen, maar je zal het ook weer ergens moeten afgeven.

Kan het me voorstellen idd, maar het klopt denk ik niet.
Waar het hier om gaat is dat de warmteafvoer via de behuizing zo inefficient is.
Deze methode haalt de warmte direct uit de die en transporteert het naar buiten. Hierdoor hoeft de warmte zich niet door de die en de behuizing naar buiten te werken (wat veel weerstand heeft).

In alle voorbeelden van microchannel cooling zie ik een dikke ingang en een uitgang voor de koelvloeistof oip de chip.
Deze zal dus langs buiten in de chip moeten worden gepompt. En buiten de chip kun je een lekker grote warmtewisselaar gebruiken om de vloeistof weer af te koelen.

[Zer0]

Voor zover ik begrijp wordt de vloeistof tijdens "productie" eenmalig geinjecteerd, en dus niet tijdens gebruik .

[koelpasta]

Het onderzoek spreekt volgens mij toch echt van rondpompen.
(overigens bizar dat iemand je -1 mod )

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 22 juli 2024 15:32]

[Zer0]

En dat kan passief plaats vinden, net als in heat-pipes.

[Verwijderd]

De vloeistof wordt eenmalig aangebracht, en daarna gaat het systeem dicht.
Er komt dus geen waterpomp o.i.d. aan te pas om vloeistof rond te pomp. De vloeistof verdampt onder invloed van warmte. Het condenseert weer op een koudere locatie, en bij condensatie komt warmte vrij. Dat is het proces dat de warmte verplaatst

[koelpasta]

Had gekund. Maar ik denk dat het anders zit:

The new design solves one major obstacle to perfecting such systems: although using ultra-small channels increases the cooling performance, it is difficult to pump the required rates of liquid flow through the tiny microchannels. The Purdue team overcame this problem by designing a system of short, parallel channels instead of long channels stretching across the entire length of the chip. A special “hierarchical” manifold distributes the flow of coolant through these channels.

http://www.purdue.edu/new...r,-supercomputers---.html

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 22 juli 2024 15:32]

[Wilglide]

Er word niks expliciet gezegd over dat het een gesloten systeem betreft in het artikel.
Maar een open systeem lijkt me vrij onpraktisch, dan zou je vloeistof bij moeten gaan vullen

kpg heeft ook gelijk in dat de vloeistof verdampt, maar dan wel alleen in de microkanaaltjes, wel denk ik dat er inderdaad een pomp de circulatie op gang zal brengen of zal versnellen of vertragen, zo nodig.. afhankelijk van hoe snel de vloeistof in het kanaaltje de kooktemperatuur bereikt en afgevoerd moet worden.

Ik ben wel benieuwd hoeveel dat 'koken' van de vloeistof de buisjes zelf gaat beschadigen.

Water both entrained in steam flow and also as non-discharged condensate traveling at high speeds in piping is the source of most erosion. By repeatedly impacting piping at bends, the water can cause the gradual thinning of the pipe wall due to its mass and high velocity of impact, similar to what occurs in industrial water jet cutting. This type of erosion - caused by water droplets - is typically known as Liquid Droplet Impingement (LDI) Erosion.

En ja, daar zullen de onderzoekers vast allang rekening mee gehouden hebben. Ik ben er gewoon nieuwsgierig naar in de context van microfluidics toepassingen zoals hier.

[kaas-schaaf]

Wat ik me af vraag (ik kan het complete artikel niet inzien) is of de warmte naar de volgende laag efficient wordt verplaatst of naar buiten en om de volgende laag heen? Bij het tweede kan ik me voorstellen dat je het makkelijker weg kan halen dan bij het eerste.

[Aikon]

De volgende laag is een chip, dus dat lijkt me niet. De warmte zal naar de zijkant vd stapel chips moeten om te kunnen worden afgegeven.

[EjjE101]

In de stapel chips worden pipes aangebracht met de vloeistof. Dus op elke chips zitten deze heatpipes op dezelfde plek boven elkaar. En zo word de hitte getransporteerd naar de bovenkant van de chip.

[Mitsuko]

Voor het verdampen van een kokende vloeistof is inderdaad veel energie nodig, wat natuurlijk goed kan zijn voor de koeling. Maar wat ik me afvraag: keert de verdampte vloeistof op termijn weer terug naar de kanalen? Anders werkt het maar 1 keer (of hou je in ieder geval steeds minder koeling over).

[koelpasta]

Zoals ik het lees wordt die vloeistof rondgepompt (ik neem aan richting koelvinnen) en vervolgens weer in de microchannel array geinjecteerd.

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 22 juli 2024 15:32]

[hahaha2223]

Misschien een vergelijkbaar systeem als de heatpipes die nu gebruikt worden

[Tourmaline]

Over welke 3D chips hebben we het hier? Voor 3D tv's of voor VR?!

Deze ontwikkeling komt overigens wel van de militaire tak van de USA. Darpa ontwikkelt voor het leger! Ik vraag mij dan ook af of en hoe deze techniek in de reguliere industrie toegepast gaat worden.

[Reactie gewijzigd door Tourmaline op 22 juli 2024 15:32]

[OddesE]

Letterlijk '3D chips'. Dus gestapelde chips of anderszins chips waarbij niet alleen in de lengte en breedte, maar ook in de hoogte transistors geplaatst worden.

Op het moment worden de meeste 3D chips nog gemaakt door gewoon meerdere platte (2D) chips boven op elkaar te stapelen als pannekoeken, maar er is al onderzoek om transistors te laten groeien waardoor je echte 3D structuren krijgt en niet hoeft te stapelen

[Tourmaline]

Op zo'n manier. Dank u.

[Cerberus_tm]

Ze bedoelen chips die op elkaar gestapeld zijn, waardoor je niet meer alleen een platte chip hebt met lengte en breedte, maar nu ook met een bepaalde hoogte. Dan heb je dus 3 dimensies.

DARPA hoort inderdaad bij het leger, maar doet ook veel onderzoek dat voor civiele doeleinden toegepast is. Zo heeft het b.v. ToR bedacht, zo meen ik, en een vroege versie van het internet.

In Amerika is het leger heel groot; het beheerst ook heel veel bedrijven en instanties die bij ons gewoon civiel zijn, zoals wetenschappelijke onderzoeksinstituten, ziekenhuizen, hun 'KNMI', de belangrijkste geheime diensten, e.d. Het is nog net niet zoals bij b.v. Star Trek, waar het leger (Starfleet) ook volledig de buitenlandse politiek en diplomatie bepaalt, de politiek beheerst, en een groot deel van het algehele overheidsapparaat is, de wetenschap uitvoert, e.d. (duidelijk geïnspireerd door de situatie in Amerika, zoals alles in die serie); of zoals in Iran, waar een onderdeel van het leger, de Revolutionaire Garde, een groot deel van de olieinkomsten beheerst en heel veel andere grote bedrijven; maar het is wel veel meer dan in Europa.

[Reactie gewijzigd door Cerberus_tm op 22 juli 2024 15:32]

[Tourmaline]

Het leger heeft daar inderdaad veel invloed. Er wordt ook elk jaar veel geld ingepompt. Meestal ontwikkelt DARPA voor het leger, dus leger-toepassingen. Als er iets uitkomt wat ook civiel gebruikt kan worden, zullen ze het vast ook wel daaraan vrijgeven, mits niet voldoende toepasbaar voor het leger en dus een geheim.

[Cerberus_tm]

Nou, ze geven b.v. ook elk jaar nog geld aan de organisatie achter ToR, dacht ik, die zeker niet bij het leger hoort en op andere vlakken in onmin verkeert met de Amerikaanse overheid. Ze bemoeien zich dus ook actief met projecten die in onze ogen voornamelijk civiel zijn. Maar ze menen waarschijnlijk dat die ook militair van belang kunnen zijn.

[Reactie gewijzigd door Cerberus_tm op 22 juli 2024 15:32]

[Step5]

Darpa ontwikkelt voor het leger! Ik vraag mij dan ook af of en hoe deze techniek in de reguliere industrie toegepast gaat worden.

We maken tegenwoordig nog steeds gebruik van "darpa"net

[Tourmaline]

DARPA=Defense Advanced Research Projects Agency

Ze hebben allang iets anders voor militaire doeleinden anders hadden ze het nooit vrijgegeven.

[Reactie gewijzigd door Tourmaline op 22 juli 2024 15:32]

[Particlebox]

Correct me if I'm wrong, maar kan dit ook gebruikt worden om b.v. gemakkelijker en beter te koelen op een grotere schaal? Als in: een passief gekoelde desktop/mobile processor zonder externe koelling? Of werkt dit alleen aan de binnenkant van een dergelijke chip?

[Tourmaline]

Volgens mij zijn die anders opgebouwd.

[Tomson7]

Wat deze techniek doet is warmte "verplaatsen". Deze warmte moet je vervolgens nog wel met een fan/water koeling/enz.. afvoeren.

[verlaatvtj]

Als het koelmiddel verhit wordt tot boven het kookpunt verwacht ik dat er ook dampbellen zullen ontstaan die mogelijk weer imploderen bij afkoeling, en dat er daardoor schade gaat ontstaan aan de chip door de drukgolven in de vloeistof (cavitatie). Er kan dan extra veel warmte worden afgevoerd, maar de vraag is hoelang de chip heel blijft.