液体冷却ソリューションにおけるマイクロチャネルチップ冷却技術の応用

液体冷却はデータセンターの未来です。空気はデータ ホールに到達する電力密度に対応できないため、熱容量の高い高密度の流体が接続部に流入します。 IT機器の熱密度が高まると液体がそれに近づきます。しかし、液体はどこまで近づくことができるのでしょうか?データセンターキャビネットのバックドアを通して水循環システムを操作することは広く受け入れられています。次に、システムは、GPU や CPU などの特に高温のコンポーネント上の冷たいボードに水を循環させ続けます。さらに、浸漬システムはラック全体を誘電性流体に沈めるため、冷却剤がシステムのあらゆる部分と接触する可能性があります。現在、主要なサプライヤーは、没入型に最適化されたサーバーを提供しています。

1981 年、スタンフォード大学の研究者 David Tuckerman と RF Pease は、より効果的に熱を除去するためにヒートシンクに小さな「マイクロチャネル」をエッチングすることを提案しました。チャネルが小さいと表面積が大きくなり、より効果的に熱を除去できます。彼らは、ヒートシンクが VLSI チップのコンポーネントになり得ることを示唆しており、彼らのデモンストレーションは、マイクロチャネル ヒートシンクが平方メートルあたり 800W という驚異的な熱流束をサポートできることを実証しています。

半導体製造の発展とその三次元構造への参入により、統合された冷却と処理のアイデアがより現実的になってきました。 1980 年代から、メーカーはシリコン チップ上に複数のコンポーネントを重ね合わせようとしました。多層シリコンチップの上にチャネルを作成することは、ヒートシンク上のフィンに似た小さな溝を実装するだけで開始できるため、迅速かつ最適な冷却方法と考えられます。しかし、チップサプライヤーはアクティブコンポーネントを積層するために3Dテクノロジーを使用したいと考えているため、このアイデアはあまり注目されていません。この方法は現在、高密度メモリで受け入れられており、Nvidia の特許は、この方法が GPU をスタックすることを目的としている可能性があることを示しています。

研究者らは数年間、シリコンチップの表面にマイクロ流体チャネルをエッチングすることに取り組んできた。ジョージア工科大学のチームは 2015 年にインテルと協力し、シリコン上のトランジスタが動作する場所からわずか数百マイクロメートル離れたところにマイクロ流体冷却層を統合した FPGA チップを初めて製造する可能性がありました。ジョージア工科大学のチームリーダー、ムハナド・バキル教授はプレスリリースで「トランジスタからわずか数百マイクロメートル離れた液体を冷却することで、シリコンチップ上部のヒートシンクを排除した」と述べた。私たちは、マイクロ流体冷却をシリコンに直接かつ確実に統合することが、次世代の電子製品にとって破壊的な技術になると信じています。

マイクロ流体冷却チャネルの 3D ネットワークは、熱が発生する各トランジスタ デバイスのアクティブ部分のわずか数マイクロメートル下に位置するチップ内に設計されています。この方法により冷却性能を50倍向上させることができます。マイクロチャネルは流体をホットスポットに直接輸送し、平方センチメートルあたり 1.7 kW という驚異的な電力密度を処理します。これは 1 平方メートルあたり 17MW に相当し、現在の GPU の熱流束の数倍になります。

熱放散が難しいということは、今日の最大のチップではすべてのトランジスタを同時に使用することができず、そうしないと過熱してしまいます。マイクロ流体工学の応用により、チップの性能と効率を向上させることができます。エネルギーを大量に消費する冷凍システムを必要とせずに、データセンターをより効率的に運用することが可能になります。