¿Se puede refrigerar el die de una CPU directamente con agua?

¿Se puede refrigerar el die de una CPU directamente con agua?

Rodrigo Alonso

Con la miniaturización de los componentes internos de los procesadores, la refrigeración del calor que provocan está causando bastantes quebraderos de cabeza a los ingenieros. Actualmente, los procesadores tienen un IHS metálico que hace contacto con el die del procesador, y al que le instalamos un disipador para mantener la buena temperatura del dispositivo pero, ¿sería posible refrigerar el die directamente con agua?

El proceso de refrigeración de un procesador implica el tener que transferir el calor a través de diversos materiales: del die a la pasta térmica o soldadura, de ésta al IHS, luego la pasta térmica convencional, y luego el disipador. Está demostrado que una refrigeración por agua es más eficiente que todo este proceso, especialmente si pudiéramos aplicarla directamente al die porque nos saltaríamos una buena porción del proceso de transferencia de calor pero, ¿es esto posible?

La refrigeración del procesador, un factor crítico

Cuando los procesadores de escritorio cruzaron por primera vez la barrera de los 1.000 MHz de velocidad, durante un tiempo pareció que no se podía ir mas que hacia arriba. No obstante, el progreso en cuanto a la velocidad de funcionamiento finalmente se detuvo, no por nada que ver con la velocidad en sí sino por los requisitos de energía y el calor que ésta generaba.

Temperatura raspberry

Incluso con los ahora comunes disipadores y ventiladores, así como con los sistemas de refrigeración líquida, el calor sigue siendo un factor limitante que a menudo frena el desarrollo de los procesadores actuales.

Parte del problema con las soluciones de refrigeración líquida es que están limitadas a tener que sacar el calor del chip y llevarlo al agua en primer lugar, lo que ha llevado a los investigadores e ingenieros a considerar pasar el líquido a través del propio chip.

Refrigerar el die directamente con agua es una realidad

Y esto es precisamente lo que un grupo de investigadores suecos han hecho realidad: han logrado diseñar un chip y su sistema de enfriamiento en una sola unidad, con canales de líquido en el propio chip colocados junto con las partes del mismo que más calor generan, con unos resultados en cuestión de rendimiento térmico más que prometedores.

Parte del problema de la extracción de calor de un chip es que generalmente conlleva múltiples conexiones: desde el chip hasta su encapsulamiento, y de éste hasta el disipador de calor. Si bien se pueden tomar medidas para mejorar estas conexiones (la pasta térmica que hemos mencionado antes) han demostrado ser ineficientes, lo que suma para limitar el calor que podemos extraer del chip.

Disipador Cryorig Frostbit M.2

Esto sucede de manera similar con los sistemas de refrigeración líquida que hay en la actualidad, los cuales utilizan líquido refrigerante para reemplazar el disipador de calor de metal. Si bien podría ser posible colocar el chip directamente en un líquido conductor de calor, ese líquido a su vez debe ser aislante y no sufrir reacciones químicas con los componentes electrónicos, ambos obstáculos que el agua no logra despejar.

Ha habido una serie de demostraciones de refrigeración líquida en chip. Por lo general, se trata de un sistema en el que un dispositivo con un conjunto de canales de líquido se fusiona dentro del propio die del chip y un sistema bombea el fluido a través de él. Esto puede hacer que el chip se caliente, y las implementaciones iniciales han encontrado que hay una pequeña compensación: se necesita más energía para bombear el agua a través de estos canales que la que consume el procesador. Esa energía no se usa en el sitio donde el calor es un problema, por lo que no interfiere con la disipación de calor, pero sí reduce la eficiencia energética del sistema.

En otras palabras, han logrado crear un chip con nanotuberías con líquido refrigerante que mejora notablemente la temperatura del mismo, pero la desventaja es que esto requiere una bomba que a su vez genera calor y consume energía, por lo que el sistema no es eficiente. Si separan la bomba del chip el galor que ésta genera no es un problema, eso sí.

¿Cómo funciona esta tecnología?

Los semiconductores utilizados para las tareas de conversión de energía no suelen ser de silicio, sino que la opción es generalmente nitruro de galio (GaN) ya que maneja mejor la corriente y alcanza unas frecuencias bastante altas. Sin embargo, para mantener la compatibilidad con los enfoques de fabricación existentes donde el silicio es la materia prima, la mayoría de los dispositivos de GaN están construidos sobre una oblea de silicio que simplemente proporciona soporte físico en lugar de contribuir con los circuitos.

Para los investigadores, el silicio brindó una oportunidad: sabemos cómo controlar su estructura a una escala extremadamente pequeña (nanómetros) que podría usarse para colocar canales de refrigerante justo contra la superficie de los circuitos de GaN.

El proceso de construcción es bastante elaborado; inicialmente, se cortan ranuras extremadamente delgadas a través del GaN y en el silicio subyacente. Luego, se utiliza un proceso de grabado que solo afecta al silicio para ensancharlos en canales con los espacios originales a través de la capa de Gan sellados con cobre, lo que mejora la conducción de calor hacia el agua. Debajo de estos canales hay un conjunto de pasajes alternos que actúan como alimentadores y sumideros; el agua fría entra a través de una alimentación, circula por el canal donde recoge el calor y luego se extrae a través de un sumidero.

Canales agua die

Los investigadores ordenan las cosas de forma que las partes más calientes de la porción de GaN del dispositivo se coloquen muy cerca de los canales, lo que permite una extracción del calor más eficiente. Muchas de las pruebas que han hecho conllevan probar diferentes geometrías de elementos como el ancho y el espaciado de los canales, pero en todo momento se ha probado la cantidad de energía requerida para forzar el paso del agua a través del sistema, lo que también impuso otra restricción en cuanto a la geometría.

El mejor diseño que han encontrado hasta ahora es capaz de manejar fluidos de calor de hasta 1.700 vatios por centímetro cuadrado mientras limita el máximo de temperatura del chip a 60ºC.

Refrigerar el die con agua, ¿es el futuro?

Para convertir toda esta investigación en un dispositivo utilizable, los investigadores han utilizado una gruesa capa adhesiva de doble cara y han cortado canales en ella con un láser y luego se pegó el chip sobre este adhesivo. La idea es bombear agua al adhesivo, desde el cual fluirá hasta el chip, y todo esto empaquetado en una sola placa electrónica estándar con todas las conexiones pertinentes de alimentación y datos.

Con estos datos, el primer prototipo funcional un dispositivo de 176W de TDP requería un flujo de agua en el die de menos de un mililitro por segundo, limitando como decíamos antes la temperatura a 60ºC como máximo, demostrando que han logrado superar las barreras de la eficiencia.

Según los investigadores, en un centro de datos en torno al 30% de la energía consumida es para los sistemas de refrigeración; si esta tecnología pudiera ser adoptada a gran escala podría reducir muchísimo la energía requerida para los sistemas de refrigeración, y no solo eso, sino que también permitiría aumentar notablemente la velocidad y el rendimiento de los procesadores actuales, ya que actualmente están limitados por la temperatura.