Komputerom też jest gorąco

Tysiące cienkich rurek wypełnionych cieczą w samym sercu komputera? Naukowcy IBM uważają, że to świetny pomysł na zwiększenie wydajności procesorów

Aktualizacja: 05.07.2008 12:37 Publikacja: 05.07.2008 01:40

Komputerom też jest gorąco

Foto: APPLE

Wydawałoby się, że układy elektroniczne i woda to kiepskie połączenie. Ale w laboratorium IBM w Zurychu od kilku lat inżynierowie pracują nad układami scalonymi, które są chłodzone wodą. Od wewnątrz. Prototyp takiego urządzenia został już przetestowany. Chłodzenie okazało się nie tylko bezpieczne, ale i skuteczne.

Każda następna generacja układów scalonych zawiera więcej tranzystorów niż poprzednia (mikroprocesory mają teraz ok. 2 mld tranzystorów). Rośnie gęstość ich upakowania, zwiększa się moc obliczeniowa, ale wzrasta też ilość ciepła produkowanego podczas pracy.

Problem ten staje się jeszcze poważniejszy z powodu miniaturyzacji. To dlatego IBM zdecydował się na eksperymentowanie z tzw. układami 3D, w których różne elementy elektroniczne umieszczane są nie obok siebie – jak to się dzieje obecnie – ale jeden na drugim. W ten sposób inżynierowie oszczędzają miejsce, a jednocześnie skracają odległość, jaką musi pokonać informacja. Połączeń między poszczególnymi elementami może być 100 razy więcej niż w zwykłych konstrukcjach, a dystans, jaki muszą pokonać bity informacji, skraca się nawet 1000 razy.

Ale przy takim stopniu miniaturyzacji konwencjonalne radiatory i wentylatory przestały wystarczać. – Gdy upakujemy jeden układ na drugim i zwiększymy prędkość przetwarzania danych, zwykłe radiatory przymocowane do obudowy stają się nieskuteczne – tłumaczy Thomas Brunschwiler ze szwajcarskiego ośrodka badawczego.

Mierzący 4 centymetry kwadratowe wielowarstwowy czip o grubości zaledwie milimetra produkuje prawie 1 kilowat ciepła. To dziesięć razy tyle, ile daje podgrzewacz do jedzenia.

Zespół Brunschwilera przygotował prototyp układu 3D, w którym kolejne warstwy oddzielone są od siebie warstwą chłodniczą. Znajdują się w niej rurki o średnicy 50 mikronów (mikron to jedna milionowa część metra). Na jednym centymetrze kwadratowym takiego układu znajduje się aż 10 tys. pionowych łączników przenoszących chłodzącą wodę z jednego poziomu na drugi.

Ale jak to się dzieje, że woda nie uszkadza elektroniki? Tajemnica kryje się w technice robienia otworów w kolejnych warstwach. Inżynierowie zostawili niewielki uszczelniający kołnierz z krzemu oraz dodali cieniutką warstwę tlenku krzemu wokół połączeń elektrycznych. Taka konstrukcja wykonana jest z dokładnością ok. 10 mikronów, czyli dziesięć razy większą niż potrzebna do wykonania połączeń w używanych dziś układach elektronicznych.

Mierzący zaledwie 4 cm kw. czip wydziela więcej ciepła niż płyta podgrzewacza do jedzenia

Inżynierowie IBM porównują stopień komplikacji wnętrza układu chłodzonego wodą do złożoności ludzkiego mózgu, w którym komórki nerwowe przeplecione są siecią naczyń krwionośnych.

Wykorzystanie cieczy do chłodzenia układów elektronicznych wbrew pozorom nie jest pomysłem całkiem nowym. Superkomputer Cray z lat 90. był chłodzony właśnie cieczą. Aby to osiągnąć, maszyna została praktycznie całkowicie zanurzona w specjalnym zbiorniku. Płyn nieprzewodzący prądu był specjalnie stworzony dla tego komputera.

Co to daje? Wiadomo, że ciecz (np. woda) ma znacznie lepsze właściwości chłodnicze niż powietrze. A wysoka temperatura układów w komputerze sprawia, że jest on głośniejszy (rosną obroty wentylatorów).

W ekstremalnych przypadkach może dojść do uszkodzenia elektroniki lub utraty danych na twardym dysku. Uszkodzenia są bardziej prawdopodobne, jeśli użytkownik peceta „podkręca” możliwości procesora lub karty graficznej, aby uzyskać wyższą wydajność.

To, co kiedyś zarezerwowane było dla najdroższych superkomputerów, dziś można kupić w sklepie.

Jednym z pierwszych komputerów dostępnych dla zwykłych użytkowników był Apple Power Mac G5, w którym wykorzystano system chłodzenia cieczą. Niestety, do firmy zwracali się rozczarowani klienci zgłaszający wyciek spod obudowy. Apple współpracowała również z firmą Cooligy założoną przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda, którzy opracowali powierzchniowy system chłodzenia procesorów wodą.

Użytkownicy pecetów mogą zaś kupować obudowy do komputerów fabrycznie przystosowane do instalacji chłodzenia cieczą. Entuzjaści z Niemiec przetestowali również... olej jadalny, w którym całkowicie zanurzono wszystkie elementy przegrzewającego się peceta. Na rynku są też dostępne m.in. karty graficzne specjalnie dla fanów gier od razu wyposażone w system chłodzenia cieczą.

masz pytanie, wyślij e-mail do autora p.koscielniak@rp.pl

Wydawałoby się, że układy elektroniczne i woda to kiepskie połączenie. Ale w laboratorium IBM w Zurychu od kilku lat inżynierowie pracują nad układami scalonymi, które są chłodzone wodą. Od wewnątrz. Prototyp takiego urządzenia został już przetestowany. Chłodzenie okazało się nie tylko bezpieczne, ale i skuteczne.

Każda następna generacja układów scalonych zawiera więcej tranzystorów niż poprzednia (mikroprocesory mają teraz ok. 2 mld tranzystorów). Rośnie gęstość ich upakowania, zwiększa się moc obliczeniowa, ale wzrasta też ilość ciepła produkowanego podczas pracy.

Pozostało 86% artykułu
Czym jeździć
Technologia, której nie zobaczysz. Ale możesz ją poczuć
Tu i Teraz
Skoda Kodiaq - nowy wymiar przestrzeni
Materiał Promocyjny
Kod Innowacji - ruszył konkurs dla firm stawiających na nowe technologie w komunikacji z konsumentami
Materiał Promocyjny
Polska na czele rewolucji technologii kwantowych
Materiał partnera
Technologie kwantowe: nauka tworzy szanse dla gospodarki
Nowe technologie
Niewykrywalny bombowiec strategiczny Sił Powietrznych USA odbył pierwszy lot