Wetenschappers maken koolstof nanobuizen geschikter voor cpu-koeling

Wetenschappers van het Berkeley Lab hebben een techniek voor het efficiënt koelen van processors ontwikkeld door gebruik te maken van koolstof nanobuizen. Met de techniek verbetert de afvoer van hitte van een metalen oppervlak naar de nanobuizen met een factor zes.

Van koolstof nanobuizen is al langer bekend dat ze warmte zeer goed kunnen geleiden. Het probleem is dat ze moeilijk interacteren met andere materialen, wat een obstakel vormt voor praktische toepasbaarheid zoals in chipkoeling. De zwakke interactie met andere materialen zorgt namelijk voor een hoge warmteweerstand en dat doet afbreuk aan de capaciteit om warmte af te voeren.

Intel stapte naar het Berkeley Lab om samen het probleem aan te pakken. De onderzoekers van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab gebruikten organische moleculen om covalente bindingen te maken tussen de koolstof nanobuizen en metaal als aluminium, goud of koper. De nanobuisjes worden eerst als verticale rijen nanobuisjes op een substraat van siliciumwafers geproduceerd. De verbinding tussen de nanobuizen en de metalen was na de vorming van de bindingen zo sterk dat de nanobuizen van de het groeisubstraat losgetrokken konden worden. Die mate van hechting zorgde voor een zes keer zo efficiënte afvoer van warmte dan tot nu toe werd behaald met koolstof nanobuizen op metaal.

"Je kunt de weerstand zien als een extra afstand die de warmte door het materiaal moet afleggen", zegt Sumanjeet Kaur van het onderzoeksteam, "Met koolstof nanobuisjes zorgt de warmteweerstandsinterface voor een afstand van ongeveer 40 micron aan beide kanten van de laag buisjes. Met onze techniek, zijn we er in geslaagd de weerstandsinterface zo te laten afnemen, dat de extra afstand ongeveer zeven micron bedraagt."

De wetenschappers gaan nu proberen om meer nanobuizen zich te laten hechten aan het metaal, want met de huidige techniek kan het nog altijd zijn dat een meerderheid van de buisjes geen verbinding maakt. Het maken van de covalente verbindingen gebeurt in gasdampen of vloeibare chemie op lage temperatuur, waardoor het in theorie geschikt is voor implementatie bij de huidige productiewijze van chips.

Reacties (25)

[timfoes]

Dit is volgens mij vooral belangrijk als men de grens van+- 10nm procedé heeft bereikt. Hierna gaat men de hoogte in(een vd opties) hierbij is het probleem echter de afvoer van warmte. Met de nanobuisjes kan deze hitte efficiënter afgevoerd worden naar de lid. Het heeft niets te maken met de afvoer vd warmte uit dr kast

[SamuraiP1zzaCat]

Ik dacht altijd dat de bottleneck juist de rand apparatuur was rond de CPU. Denk aan de kast van je PC, de ventilatoren. Die moeten de hitte goed kunnen afvoeren, anders heb je er niets aan dat de CPU zelf de hitte beter kan doorgeven toch? Of moet ik meer denken aan pasieve koeling?

[Reactie gewijzigd door SamuraiP1zzaCat op 7 augustus 2024 16:22]

[brinkdinges]

De hitte moet eerst van het minieme oppervlak van de cpu die, via zijn behuizing, naar een heatspreader, naar een koelblok. De eerste stappen zijn het lastigst, en daar zijn ze volgens mij nu mee bezig.

[Nas T]

Er zijn ook veel artikelen te vinden over het lappen van het oppervlak van de koeler en het aanbrengen van de koelpasta. Daarmee kun je aardig wat graadjes winnen. Dan blijkt wel hoe belangrijk nog de factor overdracht naar koelobject is.

[Audi-Arjan]

klopt
Die pasta zorgt ervoor dat je koelblok en de cpu elkaar overal raken.
De pasta geleid ook goed en daardoor heb je meer oppervlak om de hitte naar over te brengen.

[Madrox]

De pasta geleid goed, maar nooit zo goed als direct contact tussen metalen. Pasta moet dus vooral de luchtgaatjes opvullen, want een metalen oppervlak lijkt glad maar is dat eigenlijk nooit 100%.

Pasta geleid beter dan lucht. Pasta geleid slechter dan direct contact. Een complete "film" laag over de spreader smeren is dus niet goed; als je het echt goed doet, zie je het metaal er nog doorheen ...

[Reactie gewijzigd door Madrox op 7 augustus 2024 16:22]

[dasiro]

heatspreaders zijn lang overbodig geweest en werden zelfs een tijdje aan (AMD) cpu's toegevoegd om minder core-crushes te hebben.

De enige reden is dan ook omdat hitte niet snel genoeg kon afgevoerd worden door de coolers zelf en het raakoppervlak moest worden vergroot om meer afvoer te hebben. In coolers worden nu bijna altijd heatpipes gebruikt met datzelfde doel.

Indien de warmteweerstand klein genoeg is, zal de warmte dus sneller kunnen worden afgevoerd en kan koeling eenvoudiger gebeuren met minder tussenstappen.

[sfranken]

Het gaat hier over de bottleneck specifiek voor koolstof nanobuizen, niet conventionele koeling.

[Verwijderd]

Dit is ontwikkeld in opdracht van Intel, en hun taak is slechts om te zorgen dat zij adequate koeling meeleveren. Natuurlijk heb je gelijk, maar dit is vrij irrelevant voor dit nieuwsartikel.

[Vayra]

Als het contactoppervlak met de warmtebron groter is, of als de overdracht van warmte vanaf de warmtebron naar buiten toe beter is, dan is het makkelijker om de cpu te koelen. De 'bottleneck' in koeling is dan ook juist het contactoppervlak en de warmteoverdacht van de cpu cores naar buiten toe. Dit is ook waar het 'delidden' vandaan komt, je haalt dan eigenlijk een 'barriere' tussen de cpu en de koeler weg, waardoor de warmteoverdracht beter kan zijn. Dat is ook waarop de recentere Intel-chips vaak kritiek kregen van overklokkers: tussen de cores en het 'kapje' over die cores zat een laag koelpasta (TIM), wat een minder goede warmteoverdracht heeft.

Kastwarmte e.d. hebben hier niet zoveel mee te maken, dat is een externe factor die bij alle vormen van koeling invloed heeft en in elk geval tot dit artikel geen relatie heeft.

[Chrotenise]

Je hebt een CPU-fan omdat er warmte afgevoerd moet worden van de CPU. In plaats van een fan of naast een fan gebruiken ze hier, als ik het goed begrepen heb, koolstof nanobuizen.

Je hebt gelijk in dat de warmte dan nog in de kast zit en verder afgevoerd moet worden, maar dat heeft niets met deze techniek te maken.

[Audi-Arjan]

Het zijn nanobuisjes he, dus microscopisch klein.
Het gaat er puur om om de hitte zo snel mogelijk bij je processor weg te krijgen.
Daarnaast heb je je conventionele koeling dus nog nodig.
Water of lucht bijvoorbeeld.

[analogworm]

Dit zou dan tot een verbetering van de heatspreaders leiden lijkt me?

[computerjunky]

Daar hadden we 10 jaar geleden wat aan maar tegenwoordig worden cpus al in de verste verte niet meer zo heet als 7 jaar geleden.
mijn 3770k moet ik overclocken naar 4.8 ghz om heb boven de 35 graden uit te laten komen met een scythe ninja 3 rev b cooler...

[Axon]

In idle kan dat zeer zeker kloppen, maar op volle belasting zeker niet
Draai maar eens een CPU stress test programma, je zult zien dat je CPU koeler te kort zal komen om de CPU op volle belasting te koelen

[computerjunky]

Dat is onder full FPU load met aida64 met een kamertemp van 21 gradenen een chass. temp van 23 graden (lucht gaat helaas eerst over hdd).
Idle komt de cpu niet over 32 graden met de OC.
De 4770 word zelfs nog minder warm en is idle stock maar 23 graden en OC met dezelfde vooler 29 graden en onder load 69 graden al kan die sample niet zo makkelijk naar de 4/8 ghz maar temp verwchil tussen 4.6 en 4.8 is niet schikbarend.

[jadatmag]

We willen toch altijd meer?

Misschien straks voor de zelfde of hogere productiekosten de cpu standaard op 100 Ghz laten draaien? We kunnen dan veel meer stroom/hitte kwijt.

[Vayra]

Dat lijkt me sterk, aangezien je met LN2 al tegen allerlei grenzen aan loopt als je richting de 6 of 7 Ghz gaat.

[Djesse8999]

vroeger kon je cpu's soms wel zonder koeler runnen.
Ook had je vroeger geen Ghz processoren maar telden ze in Mhz.

Het veranderd dus steeds, Als de 9770K op de markt komt(bij wijze van) dan zou het een 100Ghz hexa core kunnen zijn als je dat op een grote die maakt word ie veel warmer dan op een kleine die maar ook al is het een 10nm die die warmte die door de 9770k word gemaakt moet toch ergens heen, alleen omdat deze op 100Ghz loopt moet het voltage misschien ook omhoog.

Als dat gebeurd komt er meer warmte vrij en dat moet zo snel en efficient mogelijk naar de lucht worden getransporteerd.

Maar misschien word er een nieuw materiaal gevonden wat 1000x beter koelt dan bijvoorbeeld koper, je weet het niet.

[teacup]

Voor warmtetransport lijkt dit een interessante oplossing. Maar niet alleen aan de CPU kant bestaat dit warmteoverdrachtsissue, ook aan de afgiftekant moet de warmte weer uit de koolstofvezels worden afgedragen. Omdat het hier geen metalen betreft moet ook aan de afgifte kant van de met nanobuizen gemaakte vezels aan een overgang gedacht worden zoals hier aan de CPU kant getest. Daar deze verbinding minder geleidend zal zijn als de ons bekende heat pipes met koelribben die een gesoldeerde koper aluminium overgang hebben.

Om dit verschil op te heffen zal een overgang tussen nano-koolstofvezels en metaal een groot oppervlak moeten hebben voor het benodigde warmte transport.

First vertically aligned carbon nanotube arrays were grown on silicon wafers, and thin films of aluminum or gold were evaporated on glass microscope cover slips. The metal films were then “functionalized” and allowed to bond with the carbon nanotube arrays.

In dit stuk uit het aangehaalde artikel is te lezen dat de verbinding inderdaad fijnmazig is te noemen. Laagdiktes van deze films zijn in de orde van grootte van enkele µm. Bij die nanotubes wordt een dergelijke laag een dikke plak (kijk maar eens naar de afmetingen op de plaatjes in de nanotube wiki. Van de verbinding tussen beiden kan ik me moeilijk een voorstelling maken.

Hoe fijnmazig ook, worden dergelijke geleiders in CPU koelers gebruikt dan hebben die geleiders naar mijn verwachting een grotere geleider doorsnede dan die van de huidige heat pipes. Dit omdat ze moeten worden gedimensioneerd naar de benodigde oppervlakte voor de overgangen naar CPU en warmteafdracht. Dit is op zich helemaal geen bezwaar, maar maakt wel een ander koelerontwerp nodig.

[Reactie gewijzigd door teacup op 7 augustus 2024 16:22]

[A4553]

Lijkt een beetje in navolging hiervan

[Benk.]

Nee totaal iets anders.

[A4553]

Het lijkt anders ook te gaan over het gebruik van niet conventionele materialen voor koeling. Lijkt mij ongeveer in dezelfde strekking als dit verhaal wat hierboven staat.

[Audi-Arjan]

Volgens mij blijft de hitte in je kast gelijk, maar is bijv de CPU sneller zijn hitte kwijt.
Daardoor gaat die langer mee en is daardoor weer sneller te maken.

[Heegenees]

zo sterk dat de nanobuizen van de het groeisubstraat losgetrokken konden worden.

van de het? Typo.