نجح فريق البحث التابع للمعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) في تطوير تقنية تبريد سائلة فائقة الكفاءة مدمجة في الشريحة.لا يزال بإمكان هذه التقنية التحكم في درجة حرارة الشريحة الأساسية في حدود 100 درجة مئوية في ظل ظروف تسخين شديدة تبلغ 2000 وات/سم²، ويصل معامل أداء التبريد (COP) إلى 106000.إنه عشرة أضعاف أفضل رقم قياسي في العالم (حوالي 10000) تم نشره في مجلة "الطبيعة" عام 2020، ولا يتطلب سوى 1/10 من استهلاك طاقة الضخ لحلول التبريد العلوي التقليدية.
يتمثل الابتكار الأساسي لهذه التقنية في دمج قنوات دقيقة مبردة بالسائل على مستوى الميكرون بقطر أصغر بكثير من شعرة الإنسان مباشرة في شريحة أشباه الموصلات السيليكونية لتحقيق تكامل متكامل بين هيكل تبديد الحرارة وجسم الرقاقة.
ويكمن المفتاح الحقيقي لتوسيع الفجوة في إعادة تصميم بنية القنوات الدقيقة المتعددة (MMC). في تقنية تبديد الحرارة التقليدية ذات القنوات الدقيقة، يحتاج المبرد إلى التدفق عبر القناة الدقيقة بأكملها للرقاقة من طرف إلى آخر لإكمال التبادل الحراري. يؤدي مسار التدفق الطويل جدًا إلى زيادة المقاومة بشكل كبير، ويتطلب طاقة ضخ أعلى، واستهلاكًا عاليًا للطاقة، وتبديدًا غير متساوٍ للحرارة.
وفي هذا الصدد، صممت KAIST هيكل تحويلة متشعبة جديدة لإعادة بناء منطق دوران المبرد. يتم توزيع سائل التبريد بالتساوي من خلال مجموعات متعددة من قنوات الدخول الموزعة. بعد اكتمال التبادل الحراري، تتم إعادة تدوير سائل التبريد بشكل موحد من خلال قنوات مخرج متعددة لتشكيل شبكة توزيع لتبديد الحرارة قصيرة المدى.
بموجب هذا التصميم، يتم تقصير مسافة تدفق سائل التبريد في قناة تدفق واحدة بشكل كبير، كما يتم تقليل مقاومة السوائل وضغط الضخ بشكل كبير. وفي الوقت نفسه، يغطي المبرد الشريحة بأكملها بالتساوي لمنع ارتفاع درجة الحرارة المحلية.
من خلال التركيز على المعلمات الأساسية مثل العرض والارتفاع وكمية الترتيب وطريقة التخطيط ومعدل تدفق سائل التبريد للقنوات الصغيرة، قام الفريق ببناء إطار عمل تحسين متعدد الدقة. قامت أولاً بفحص عدد كبير من خطط التصميم الأساسية من خلال نموذج أحادي البعد للتخلص بسرعة من الهياكل غير الفعالة، ثم اعتمدت على محاكاة عالية الدقة لضبط الحلول عالية الجودة.
يخترق نموذج البحث والتطوير ذو الطبقات هذا عنق الزجاجة لتصميم تبديد الحرارة التقليدي، والذي يقتصر على قوة الحوسبة ولا يمكنه اجتياز حلول ضخمة، ويحقق في الوقت نفسه تحسينًا تعاونيًا للمؤشرات الأساسية الثلاثة لأداء تبديد الحرارة، وانخفاض ضغط السوائل، وتوحيد درجة حرارة الرقاقة.
ومن الناحية العملية،ولا يتطلب الحل بأكمله عمليات معقدة مثل التبريد المتغير الطور أو تعديل سطح النانو، كما أنه لا يعتمد على مواد خاصة عالية الثمن لتبديد الحرارة مثل الماس. إنه يستخدم فقط الماء العادي ذو درجة الحرارة العادية كوسيلة للتبريد، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف البناء والتشغيل والصيانة.
درجة حرارة عملية تحضير القنوات الدقيقة المدمجة بالرقاقة أقل من 350 درجة مئوية، وهو متوافق تمامًا مع عملية التصنيع الحالية للإنتاج الضخم لأشباه الموصلات. ليست هناك حاجة لإجراء تحويل واسع النطاق لخطوط الإنتاج الحالية أو إضافة معدات باهظة الثمن.
تغطي سيناريوهات التطبيق العديد من المجالات المتطورة مثل رقائق تسريع الذكاء الاصطناعي، وأنظمة الحوسبة عالية الأداء، وتغليف أشباه الموصلات ثلاثي الأبعاد، وأجهزة الطاقة الإلكترونية، والمعدات الإلكترونية العسكرية الدقيقة.