El estado de los sistemas de refrigeración por microprocesadores

Sep 07, 2023

Mateo Cheung

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Esta revisión de la literatura fue escrita originalmente en diciembre de 2017 por Matthew Cheung, para el curso de posgrado ME 290R (Temas de fabricación: manipulación de materiales a nanoescala) en la Universidad de California, Berkeley.

Históricamente, el tamaño del chip de los microprocesadores se ha mantenido relativamente constante. Si bien el rendimiento ha aumentado debido al mayor número de transistores, los niveles totales de producción de calor del paquete de microprocesadores se han mantenido relativamente estables. Por lo tanto, para aumentar aún más la densidad computacional más allá de los aumentos debidos a la ley de Moore, los fabricantes de refrigeradores para microprocesadores han estado presionando para hacer refrigeradores más pequeños, incluso intentando integrar sistemas de enfriamiento en los propios microprocesadores. Esta revisión analiza una breve historia del enfriamiento de microprocesadores y luego aborda la efectividad de las tecnologías actuales.

Términos del índice: refrigeración de dispositivos electrónicos, refrigeración por impacto de chorro, refrigeración líquida, refrigeración de microfluidos, microprocesadores.

La ley de Moore establece que el número de transistores por unidad de área en un circuito integrado (CI) se duplica aproximadamente cada 18 meses. Sin embargo, debido a la naturaleza exponencial del crecimiento, es poco probable que continúe para siempre. De hecho, a medida que los transistores se vuelven cada vez más pequeños, surgen problemas a medida que nos acercamos a los límites atómicos. Para mantenerse al día con las crecientes demandas de mayor densidad computacional, el calor es una preocupación cada vez mayor.

La mayoría de los componentes de la computadora tienen algún tipo de enfriamiento. El calor se produce como resultado de alguna ineficiencia en un IC. La resistencia eléctrica contribuye en gran medida a la producción de calor. Aunque los componentes informáticos han experimentado grandes avances en cuanto a mayor rendimiento y eficiencia, la refrigeración sigue siendo necesaria.

Durante el funcionamiento de una computadora, el calor puede provocar que surjan problemas. Por ejemplo, si un procesador tiene una carga de trabajo elevada y el sistema de refrigeración no puede disipar el calor lo suficientemente rápido, el procesador puede "desacelerarse" bajando la frecuencia en un intento de reducir la temperatura del paquete del procesador a una temperatura de funcionamiento segura. Sin embargo, si la temperatura continúa aumentando, los procesadores modernos apagarán completamente el sistema, en un intento de salvar el hardware de temperaturas de funcionamiento peligrosas.

Para comprender cómo se genera la mayor parte del calor a partir de los circuitos integrados, nos fijamos en los transistores. La potencia estática consumida, P_S, debido a la fuga de corriente y suministro, debido a la fuga de corriente y voltaje de suministro viene dada por la ecuación:

donde V_CCes el voltaje de suministro, y I_CC es la corriente en el dispositivo. La potencia consumida al cambiar de un estado lógico a otro es la potencia transitoria (dinámica), P_T, y viene dada por la ecuación:

donde C_pdes la capacitancia dinámica de disipación de potencia, V_CCes la tensión de alimentación, f_Ies la frecuencia de la señal de entrada, y N_SW es el número de bits que cambian. La energía que se consume debido a la carga de la capacitancia de carga externa, P_L, viene dada por la ecuación:

donde nortees el número de bits, C_L_nes la capacidad de carga del bit n, f_O_nes la frecuencia de salida del bit ny V_CC es la tensión de alimentación. Finalmente, el consumo total de energía, P_Total, es una combinación aditiva de (1), (2) y (3):

donde P_Ses la potencia estática consumida, P_Tes la potencia transitoria consumida, y P_Les la capacitancia de carga externa, todas las cuales se dan arriba [1].

Aunque una parte del consumo total de energía se utiliza para trabajos eléctricos, el resto del consumo total de energía se convierte en calor. El calor máximo diseñado que produce un chip, bajo cualquier carga de trabajo, a menudo lo dan los fabricantes de chips como potencia de diseño térmico (TDP). Los diseñadores de hardware necesitan conocer el TDP de los chips con los que trabajarán porque necesitan saber cuánto calor deben disipar sus sistemas de refrigeración.

Los primeros microprocesadores, como la primera unidad central de procesamiento (CPU) de Intel, el Intel 4004 (lanzado en 1971), se refrigeraban pasivamente. El cuerpo de la CPU fue más que suficiente para disipar el calor al entorno circundante. Este plan de enfriamiento fue suficiente hasta las series de CPU Intel 80486 e i486 (lanzadas en 1989). Algunas de las CPU de la serie 486 de mayor rendimiento se entregaron con disipadores de calor enfriados pasivamente, mientras que las CPU más lentas o de “consumo ultrabajo” no lo hicieron. Luego, una generación más tarde, todos los procesadores Intel Pentium de la serie P5 (lanzados en 1993) se enviaron con disipadores de calor activos enfriados por ventilador. Prácticamente todas las CPU vendidas en 1993 o después no podían enfriarse solas como lo hacía el Intel 4004 sin disipador de calor. Todas las CPU posteriores a 1993 requerían algún tipo de refrigeración.

Los primeros disipadores de calor eran simples dispositivos con aletas. Las aletas suelen ser placas planas o pasadores rectos, en ángulo desde la base, y estarían hechas de aluminio (o cobre si se necesita un rendimiento de refrigeración adicional). Ocasionalmente, si el disipador de calor está destinado a ser un disipador de calor pasivo, el diseñador puede especificar que el disipador de calor esté anodizado en negro mate para aprovechar el aumento de la radiación del cuerpo negro. Las empresas de electrónica han visto aumentos del seis al ocho por ciento en el rendimiento de refrigeración, debido a la anodización negra mate, en muchos diseños diferentes de disipadores de calor pasivos para sus equipos de computación [3].

Cuando los disipadores de calor pasivos no eran suficientes para enfriar, se aumentó el flujo de aire mediante el uso de ventiladores. También se implementan conductos para sellar los canales de flujo de aire, aumentando el flujo de aire efectivo hacia los disipadores de calor. El uso de conductos es particularmente frecuente en servidores y centros de datos, donde los operadores de hardware están muy preocupados por utilizar toda su energía de manera eficiente.

Si un disipador de calor es demasiado grande, entonces el calor no podrá llegar a los extremos del disipador de calor, ya que escaparía del disipador de calor antes de llegar a los extremos. En otras palabras, existe un límite en la cantidad de calor que puede expulsar un disipador de calor. Sin embargo, los tubos de calor evitan esto transfiriendo calor de manera rápida y efectiva desde la CPU, de manera uniforme por el resto del disipador de calor mediante enfriamiento por evaporación. A medida que el líquido refrigerante encapsulado se calienta cerca de la CPU, el refrigerante se evapora convirtiéndose en gas y viaja al otro lado del tubo de calor. El gas refrigerante se enfría, se condensa nuevamente en un líquido y regresa al lado de la CPU del tubo de calor. A lo largo de este proceso, el calor se extrae del tubo de calor y se transfiere a las aletas del disipador de calor para su eliminación del sistema. La conductividad térmica de un heatpipe puede alcanzar hasta 100.000 W/(m*K) . A modo de comparación, las conductividades térmicas del aluminio y el cobre son 204y 386 W/(m*K) respectivamente. Los tubos de calor esencialmente hacen que los disipadores de calor puedan disipar más calor [3], [4].

Finalmente, la última forma importante de refrigeración de circuitos integrados es la refrigeración líquida. Se coloca un intercambiador de calor encima del IC para transferir calor del microprocesador a un fluido, generalmente agua debido a su capacidad calorífica específica inusualmente alta y su bajo costo (pero pueden existir otros refrigerantes para un mayor rendimiento). El refrigerante se transporta desde el IC a un radiador para extraer el calor del sistema. Luego, el refrigerante se transporta de regreso al IC para repetir el ciclo. La refrigeración a corto plazo mejora enormemente debido a que el refrigerante del circuito tiene una masa térmica elevada. La refrigeración a largo plazo se puede mejorar (en comparación con la refrigeración por aire) si el radiador es más eficiente a la hora de extraer calor que un disipador de calor enfriado por aire al que reemplaza.

El enfriamiento por microfluidos es esencialmente una forma más eficiente de enfriamiento líquido. En la refrigeración líquida, hay un intercambiador de calor encima del IC. Este intercambiador de calor transfiere el calor del IC al líquido. El enfriamiento por microfluidos elimina esta interfaz y hace que el líquido fluya directamente a través del CI. Esto permite que el líquido del circuito extraiga el calor del microprocesador antes. El enfriamiento por microfluidos también aprovecha el hecho de que hay más superficie para extraer directamente el calor del CI.

1) Programa ICECool de DARPA

Las estructuras de microfluidos se observaron por primera vez a principios de los años 1990. La primera patente relacionada con estructuras microfluídicas se presentó el 8 de mayo de 1991 y se concedió el 14 de noviembre de 1991 a B. Ekström, G. Jacobson, O. Öhman y H. Sjödin [5]. Sin embargo, los microfluidos se analizaron más intensamente a partir de 2008, cuando la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa de EE. UU. anunció su interés en los microfluidos para enfriar circuitos integrados con su programa de Tecnologías de Gestión Térmica. El programa atrajo a grandes socios de la industria. Uno de esos socios fue GE Global Research.

Entre 2011 y 2012, GE Global Research trabajó para demostrar el enfriamiento monofásico de nitruro de galio (GaN) en amplificadores de potencia de carburo de silicio (SiC) con microcanales grabados en el sustrato de SiC dentro de 50 μm.del GaN.

Al ver los resultados positivos de GE Global Research y los esfuerzos de otros equipos, DARPA inició su programa Intra/Interchip Enhanced Cooling (ICECool) para explorar específicamente dos arquitecturas diferentes para el enfriamiento de microfluidos. El objetivo de DARPA era conseguir una disipación de calor de al menos 100 W/cm².para circuitos integrados de alto rendimiento.

Una ventaja del concepto ICECool Interchip, sobre el concepto Intrachip, es que se pueden apilar varios circuitos integrados uno encima del otro en una matriz tridimensional. Esto permite densidades computacionales mucho mayores. La figura 4 ilustra este beneficio. Actualmente, los servidores refrigerados por aire montados en bastidor de 1U pueden tener hasta ocho CPU independientes en la placa base. En un futuro próximo, no sería descabellado que los servidores 1U refrigerados por líquido tuvieran entre ocho y 10 zócalos de CPU.

International Business Machines Corporation (IBM) y el Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech), como equipo, obtuvieron el contrato ICECool a finales de 2012. Utilizando el concepto ICECool Interchip de DARPA, el equipo de IBM/Georgia Tech pudo demostrar un 90%reducción de la energía de refrigeración y un 14%Reducción de la energía computacional, en comparación con los métodos tradicionales de refrigeración por aire refrigerado para aplicaciones de centros de datos.

Pensado de otra manera, los centros de datos con sistemas de refrigeración ICECool podrían reducir los costos de electricidad con la misma cantidad de potencia computacional, o podrían mantener el gasto de electricidad igual y aumentar la potencia computacional. Aunque una inversión inicial en un sistema ICECool sería costosa, un centro de datos podría extender los ciclos de vida utilizables de los circuitos integrados, lo que podría reducir el costo general para el operador del centro de datos.

Una forma en la que el equipo tecnológico de IBM/Georgia redujo la energía de refrigeración en un 90 % fue mediante el uso de refrigeración líquida de dos fases en lugar de refrigeración líquida monofásica. Utilizando el mismo principio que los heatpipes, la refrigeración líquida de dos fases gana capacidad de refrigeración adicional mediante el cambio de fase de líquido a gas. Un beneficio adicional es que el gas viaja mucho más rápido que el líquido. La mayoría de los diseños de circuitos integrados tridimensionales, aunque no todos, deberían tener un rendimiento de refrigeración superior con refrigeración líquida bifásica en comparación con la monofásica [7]. Un hallazgo de [8] indica que los circuitos integrados con puntos calientes intensos pueden en realidad ver un rendimiento degradado con refrigeración líquida de dos fases. Como los puntos calientes crearán más vapor que otras áreas, desalentando el flujo hacia los puntos calientes.

Un equipo independiente de Georgia Tech pudo demostrar que el enfriamiento por microfluidos para una pila de circuitos integrados tridimensionales era mucho mejor para eliminar el calor de los circuitos integrados que el enfriamiento por aire tradicional. Demostraron que el enfriamiento por microfluidos era capaz de enfriar circuitos integrados multicapa con al menos 200 W/cm²en densidad de potencia [9].

En uno de sus estudios, el equipo de Georgia Tech intentó replicar un generador de 790 W/cm². sistema encontrado en [10], pero no pudieron. En este estudio en particular, solo pudieron alcanzar 100 W/cm²[11].

Se han realizado algunos trabajos para hacer que la refrigeración líquida de microfluidos sea más eficaz para enfriar los circuitos integrados. Para transferir eficazmente el calor de un CI al fluido, a menudo se emplean aletas que sobresalen de la parte inferior del CI. IBM Research en Zurich, Suiza, realizó algunas simulaciones sobre la geometría y el espaciado de las aletas de los pasadores. Descubrieron que, dependiendo de las condiciones del circuito integrado (cerca o lejos de puntos calientes, cerca de esquinas u otras consideraciones), podían aumentar el flujo de calor mediante el uso de diferentes arquitecturas. Por ejemplo, la arquitectura de suministro de fluidos de cuatro puertos propuesta tenía el mejor rendimiento de refrigeración en las esquinas de las pilas de circuitos integrados tridimensionales. Además, redirigir el refrigerante a áreas de puntos calientes intensos mejoró el enfriamiento. La figura 5 muestra dicha estructura de guía. El equipo IBM de Zurich logró alcanzar hasta 250 W/cm²alterando la densidad de las aletas del pasador y utilizando su suministro de fluido de cuatro puertos [12].

2) Perspectivas del enfriamiento de microfluidos

En marzo de 2013, el Prof. K. Goodson del NanoHeat Lab de Stanford, impartió una sesión informativa sobre las tecnologías de refrigeración vigentes en ese momento. La mayoría de los desarrollos se han realizado a través de los programas de tecnología de gestión térmica de DARPA, como ICECool y Eliminación de calor mediante circuitos termointegrados (HERETIC).

Goodson señaló que en 2005, el nivel de refrigeración disponible comercialmente era de aproximadamente 100 W/cm². . Un ejemplo de un producto ampliamente disponible en 2005 que presentaba este nivel de refrigeración fue el Apple Power Mac G5.

En un futuro próximo (aproximadamente a finales de 2020), Goodson espera que el enfriamiento de microfluidos supere los 300 W/cm².punto [13].

Los sistemas de enfriamiento por impacto de chorro enfrían una superficie con un chorro de fluido que impacta (generalmente aire, agua u otros fluidos patentados). Este método de enfriamiento es deseable debido a su alta transferencia de calor y a su hardware relativamente simple. Debido a esto, las compañías de vehículos eléctricos intentan activamente implementar sistemas de enfriamiento por impacto de chorro para el hardware electrónico de sus vehículos, si el espacio lo permite. El líquido en este caso suele ser aire ambiente procedente del exterior del vehículo. Incluso la temperatura más alta registrada: 56,7°C (medido en Greenland Ranch, Death Valley, CA, EE. UU. el 10 de julio de 1913) es suficiente para enfriar equipos electrónicos [3]. Como referencia, las CPU Intel suelen tener una temperatura de unión, la temperatura máxima permitida para un procesador, de 100 °C.[14].

El fluido impactante golpea la superficie caliente (generalmente) a 90°. ángulo. Esto tiene un par de ventajas en comparación con el flujo paralelo, como en los sistemas de refrigeración líquida estándar. En primer lugar, este flujo perpendicular garantiza que más moléculas de fluido entren en contacto directamente con la superficie caliente, lo que le da al fluido más oportunidades de transferir calor de manera efectiva. En segundo lugar, el impacto del chorro produce capas límite más delgadas, aumentando así el gradiente térmico. Y finalmente, el choque produce un fluido más turbulento. Esta combinación de más moléculas de fluido en contacto con la superficie caliente, mayor gradiente térmico y más fluido turbulento produce coeficientes de transferencia de calor que son hasta tres veces mayores que los sistemas de enfriamiento de flujo paralelo, para el mismo caudal por unidad de área. Pensado de otra manera, para mantener la misma cantidad de transferencia de calor, un sistema de enfriamiento por impacto de chorro puede hacer que el fluido viaje a velocidades mucho más lentas, ahorrando energía gastada en hacer funcionar el sistema de enfriamiento y/o reduciendo las firmas de ruido.

Hay dos métodos principales de enfriamiento utilizando enfriamiento por impacto de chorro: enfriamiento por impacto de chorro monofásico y bifásico. El enfriamiento por impacto de chorro monofásico es lo que se ha descrito hasta ahora. La fase doble tiene la transición fluida de líquido a gas una vez que entra en contacto con la superficie caliente. Este método aprovecha la gran entalpía de vaporización del fluido (normalmente agua) [15].

El mayor enfriamiento ocurre cerca del centro del chorro. Por lo tanto, si un diseñador de chips anticipa que habrá un punto de acceso en cualquier lugar en particular, el diseñador puede apuntar el chorro directamente al punto de acceso. Además, si se necesita más refrigeración (potencialmente en diferentes puntos), se pueden utilizar múltiples chorros. Llevado al extremo, también es posible utilizar muchos microjets, como demostró el NanoHeat Lab de Stanford. Wang y cols. demostró que con un 5 mmconjunto de microchorros cuadrados de cuatro 76 μmdiámetro y 300 μmlos agujeros largos lograron 90 W/cm²con un caudal de 8 ml/min . Con mayores caudales, 200 W/cm²(65 ml/mincaudal) y 790 W/cm²(516 ml/mincaudal) es posible [16].

El enfriamiento por impacto de chorro de doble fase, utilizando conjuntos de microchorros, es cuantificablemente la forma más efectiva de enfriar los circuitos integrados.

DARPA y sus socios de la industria anticipan que los circuitos integrados de alto rendimiento tendrán una densidad de potencia de solo 100 W/cm² en el futuro cercano. Esta tendencia está respaldada por los datos históricos de TDP de Intel para CPU de escritorio y servidores recientes (2000 a 2018) en [14]. Sin embargo, no es descabellado que los circuitos integrados puedan llegar a superar este nivel. Por lo tanto, siempre habrá un impulso para lograr una refrigeración cada vez mejor.

Por el momento parece haber 250 W/cm² límite en el enfriamiento de microfluidos. Sin embargo, la afirmación de 790 W/cm² por [12] nos informa que todavía queda trabajo por hacer con el enfriamiento de microfluidos. Una estimación conservadora, 300 W/cm²Se espera que el mundo académico logre de manera confiable para fines de 2020.

La refrigeración por impacto de chorro de doble fase con microchorros es, con diferencia, la forma de refrigeración más prometedora, con una potencia demostrada de 790 W/cm². nivel de enfriamiento. Con este excedente de capacidad de refrigeración, los operadores de centros de datos podrían overclockear sus circuitos integrados para obtener un rendimiento enormemente mayor sin tener que comprar ningún equipo nuevo. Un “factor de enfriamiento” de 7,9 times ofrece a los operadores de centros de datos una enorme cantidad de margen térmico para aumentar las frecuencias de reloj. Un 50% El aumento de la frecuencia del reloj de un chip no sería descabellado para este nivel de refrigeración. Por lo tanto, deberíamos esperar que se trabaje más en el enfriamiento por impacto de chorro de doble fase con microchorros con una adopción potencialmente más generalizada por parte de la industria.

Un agradecimiento especial al Prof. Hayden Taylor, quien enseñó ME 290R en el otoño de 2017, y a Junpyo (Patrick) Kwon por brindar comentarios sobre los primeros borradores.

Matthew Cheung es ingeniero de diseño de productos en el equipo de PD de iPhone de Apple. Los roles anteriores incluyen Falcon 9 Structures en SpaceX, PD de dispositivos de entrada en Apple, PD de piloto automático en Tesla y PD de accesorios en Boosted. Estudió Ingeniería Mecánica en la Universidad de California, Berkeley.

Los únicos cambios notables entre este artículo y su versión de diciembre de 2017 son actualizaciones menores en la elección de palabras y la adición de la primera imagen al comienzo del artículo.

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[1] A. Sarwar, “Cálculo de Cpd y consumo de energía CMOS”, Texas Instruments, Dallas, Texas, Estados Unidos, 1997.

[2] M. Lin, “Sistema de refrigeración líquida de bajo costo (LCLC) de Asetek - Página 3 | HotHardware”, Hothardware.com, 2008. [En línea]. Disponible: https://hothardware.com/reviews/asetek-low-cost-liquid-cooling-lclc-system?page=3. [Consulta: 16 de noviembre de 2017].

[3] J. Cheung, “Rendimiento del disipador de calor”, San Francisco, California, Estados Unidos, 2017.

[4] H. Akachi, “Estructura de un tubo de calor”, US4921041, 1990.

[5] B. Ekström, G. Jacobson, O. Öhman y H. Sjödin, “Estructura microfluídica y proceso para su fabricación”, WO1991016966A1, 1991.

[6] A. Bar-Cohen, JJ Maurer y JG Felbinger, “DARPA Intra/Interchip Enhanced Cooling (ICECool) Program”, en CS ManTech Conference, Nueva Orleans, Luisiana, Estados Unidos, 2013, págs.

[7] TJ Chainer, MD Schultz, PR Parida y MA Gaynes, “Mejora de la eficiencia energética del centro de datos con gestión térmica avanzada”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 7, núm. 8, págs. 1228-1239, 2017.

[8] YJ Kim, YK Joshi, AG Fedorov, Y. Lee y S. Lim, “Caracterización térmica del enfriamiento por microfluidos entre capas de circuitos integrados tridimensionales con flujo de calor no uniforme”, Journal of Heat Transfer, vol. 132, núm. 4, pág. 041009, 2010.

[9] CR King, J. Zaveri, MS Bakir y JD Meindl, “Interconexiones eléctricas y fluídicas C4 para refrigeración líquida entre capas de circuitos integrados 3D”, Actas de 2010, 60.ª Conferencia de tecnología y componentes electrónicos (ECTC), 2010.

[10] D. Tuckerman y R. Pease, “Disipador de calor de alto rendimiento para VLSI”, IEEE Electron Device Letters, vol. 2, núm. 5, págs. 126-129, 1981.

[11] Y. Zhang, A. Dembla, Y. Joshi y MS Bakir, “Enfriamiento de microfluidos apilados en 3D para circuitos integrados 3D de alto rendimiento”, en 62ª Conferencia de Tecnología y Componentes Electrónicos, San Diego, California, Estados Unidos, 2012.

[12] T. Brunschwiler, S. Paredes, U. Drechsler, B. Michel, B. Wunderle y H. Reichl, “Descripción extendida del tensor para diseñar una eliminación de calor no uniforme en pilas de chips refrigeradas entre capas”, en la Decimotercera Conferencia InterSociety sobre fenómenos térmicos y termomecánicos en sistemas electrónicos, San Diego, California, Estados Unidos, 2012.

[13] K. Goodson, “¿Está aprovechando la financiación del Departamento de Defensa? Informe ejecutivo”, Universidad de Stanford, 2013.

[14] “Especificación de producto Intel”, Base de conocimientos relacionales automatizados de Intel (especificaciones de producto), 2017. [En línea]. Disponible: https://ark.intel.com/Search/FeatureFilter?productType=processors&MaxTDPMin=0.025&MaxTDPMax=300. [Consulta: 01 de octubre de 2017].

[15] A. Azizi y M. Moghimi, “Impingement Jet Cooling on High Temperature Plate”, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán, 2016.

[16] E. Wang, L. Zhang, L. Jiang, J. Koo, J. Maveety, E. Sanchez, K. Goodson y T. Kenny, “Micromachined Jets for Liquid Impingement Cooling of VLSI Chips”, Journal of Microelectromechanical Sistemas, vol. 13, núm. 5, págs. 833–842, 2004.