كيف تدعم وحدة التبريد الدقيقة لأشباه الموصلات الأجهزة عالية الأداء؟

أدت أحدث الابتكارات في التكديس الرأسي للدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد إلى ظهور تحديات حرارية شديدة في هذه الدوائر. وتبين أن الطرق التقليدية للتبريد بالهواء أو حلول التبريد السائل غير كافية. أما التبريد الميكروسيالي فيدمج قنوات تبريد صغيرة الحجم داخل الواصلات السيليكونية أو قواعد التغليف، ما يتيح تنفيذ عملية التبريد في مقرّبٍ شديد من الترانزستورات العاملة. ويؤدي هذا إلى تحسين مقاومة انتقال الحرارة بنسبة تقارب ٤٠٪ مقارنةً بحلول مشتِّتات الحرارة التقليدية. أما طريقة الاندفاع النفاث فهي أكثر تطرُّفًا. وتقوم هذه الطريقة على مبدأ نقل الحرارة بواسطة تيارات سائلة سريعة الحركة تُوجَّه نحو النقاط الساخنة الفردية في الشريحة، وبخاصة في منطق الكثافة العالية أو رقاقات الإدخال/الإخراج. ويمكن لهذه الطريقة إزالة الحرارة بمعدل يتجاوز ٣٠٠ واط لكل سنتيمتر مربع. وعند تطبيق هذه أساليب التبريد المذكورة أعلاه على أعقد حزم الشرائح ثنائية الأبعاد ونصف الثلاثية الأبعاد وثلاثية الأبعاد، فإنها تخفِّف من تأثير الأحمال الميكانيكية الناجمة عن ارتفاع درجة الحرارة، وتمنع انفصال الطبقات في أحدث تقنيات التغليف مثل التوصيل الخارجي (Fan-out) والربط الهجين (Hybrid Bonding).

توفر تقنية التبريد السائل ثنائي الطور القدرة على تبديد تدفقات الحرارة التي تتجاوز ٥٠٠ واط/سم².

يتحول سائل التبريد نوفيك ٦٤٩ أو إف سي-٧٢ إلى بخار عند ملامسته للأسطح الساخنة. وتتفوق هذه القدرة العالية لامتصاص الحرارة من قِبل سائل التبريد على قدرة طرق التبريد أحادية الطور. وقد أثبتت هذه الطريقة أنها الأفضل في حالات تدفقات الحرارة التي تتجاوز ٥٠٠ واط/سم²، وهي تدفقات لا يمكن للطرق التقليدية للتبريد التوصيلي أو التوصلي أن تحققها. وفي الواقع، فإن أنظمة التبريد بالطور البخاري تحافظ، عند استخدام رقائق ذات قدرة حرارية كبيرة تبلغ ٢ كيلوواط، على درجة حرارة الأسطح المبردة عند ٨٥°م، بما في ذلك معالجات الذكاء الاصطناعي في الحواسيب الفائقة التي تصل أداؤها إلى مستوى الإكساسكيل. وبعد امتصاص سوائل التبريد للحرارة، ينتقل البخار الناتج إلى لوحة تبريد باردة خارجية أو إلى قنوات صغيرة داخل مكثّف، مما يُكمِل الدائرة الحرارية (الحلقة). ونتيجةً لذلك، تصبح أنظمة التبريد—وخاصةً لتبريد الرقائق من الخلف ولرفوف الخوادم على نطاق واسع—مُفضَّلةً للغاية، إذ لا يتطلب الأمر إعادة تعبئة سائل التبريد.

الأسئلة الشائعة

ما هي أنظمة التبريد الميكروسيالية والاندفاع النفاث؟

بينما تستخدم تقنية التبريد الميكروسيالية قنوات صغيرة داخل الركائز السيليكونية لتحقيق تبريد أكثر كفاءة، فإن تقنية الاندفع النفاث تستخدم تيارات سريعة الحركة من السائل لاستهداف النقاط الساخنة المحددة على الرقائق.

ما الذي يجعل التبريد السائل ثنائي الطور ممتازًا إلى هذه الدرجة؟

يمكن للتبريد ثنائي الطور أن يتجاوز ٥٠٠ واط لكل سنتيمتر مربع، وهي قيمة أعلى بكثير من أي طريقة تقليدية، وذلك ببساطة لأنها تُحوّل مادة التبريد إلى بخار عند ملامستها للمكونات الساخنة.

هل يمكن تنفيذ هذه أساليب التبريد في تطبيقات واسعة النطاق؟

نعم، يمكن تطبيق كل من تقنيتي التبريد الميكروسيالي والتبريد ثنائي الطور على نطاق واسع في خوادم الرفوف الكبيرة والتبريد المباشر للرقائق، وبخاصة في معالجات الذكاء الاصطناعي والحواسيب الفائقة.