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Investigadores de IBM desarrollan tecnologías de nueva generación para enfriamiento de chips

México, D.F., a 31 de octubre de 2006 – En la conferencia BroadGroup de Energía y Enfriamiento los investigadores de IBM presentaron, un método innovador para mejorar el enfriamiento de chips de computadores. Una necesidad creciente y urgente debido a la gran cantidad de calor liberada por los procesadores más poderosos de hoy en día y la energía adicional necesaria para remover el calor.

La técnica, llamada de “tecnología de interfaz de alta conductividad térmica”, permite un perfeccionamiento doble en la remoción de calor con relación a los métodos actuales, lo que facilita el desarrollo continuado de nuevos productos electro-electrónicos a través del uso de chips más poderosos, sin sistemas complejos y caros para simplemente enfriarlos.

Mientras el desempeño del chip continúa progresando de acuerdo con la ley de Moore, el enfriamiento eficiente del chip se volvió uno de los problemas más aflictivos para los diseñadores de productos electro-electrónicos. La técnica de IBM esbozada hoy, es una de las muchas que los científicos del Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich están estudiado para resolver el problema.

“Productos electro-electrónicos son capaces de cosas maravillosas, principalmente por causa de los chips más poderosos en sus centros”, dice Bruno Michel, gerente del grupo de investigación Advanced Thermal Packaging en el laboratorio de IBM en Zurich. “Queremos ayudar a los fabricantes de electrónicos a continuar aportando innovaciones. Nuestra tecnología de enfriamiento de chip es apenas una herramienta disponible para ayudarlos”.

El método usado por IBM trata del punto de conexión entre el chip calentado y los diversos componentes de enfriamiento usados actualmente para retirar el calor, incluyendo heat sinks. Pastas viscosas llenadas con partículas especiales se aplican normalmente en esta interfaz para garantizar que los chips puedan expandirse y contraerse debido al ciclo térmico. Esta pasta es mantenida lo más fina posible para transportar el calor del chip a los componentes de enfriamiento de forma eficiente. Aun así, si se usaran tecnologías convencionales, desparramando esa pasta de forma muy fina entre los componentes de enfriamiento y el chip podría dañarse o inclusive quebrarse.

Usando la microtecnología sofisticada, los investigadores de IBM desarrollaron una cápsula para el chip con una red de canales ramificados en forma de árbol en su superficie. El estándar es desarrollado de forma que cuando se aplica la presión, la pasta se desparrama igualmente y la presión permanece uniforme a lo largo del chip. Así se puede obtener la uniformidad correcta con hasta dos veces menos presión, y un transporte de calor hasta diez veces más eficiente por la interfaz.

Este proyecto único y extremadamente poderoso para el enfriamiento del chip es prestado de la biología. Sistemas de canales jerárquicos se pueden encontrar muchas veces en la naturaleza, por ejemplo, en hojas de árboles, raíces, o sistema de circulación humano. Pueden servir grandes volúmenes con poca energía, lo que es crucial en organismos con más de algunos milímetros. Sistemas antiguos de irrigación también usaron el mismo método.

El prototipo demostrado forma parte de un gran esfuerzo de las organizaciones de Investigación y Desarrollo de IBM para mejorar el desempeño de las próximas y futuras generaciones de sistemas de computadora.

El obstáculo del enfriamiento resulta de la necesidad de chips de computadora cada vez más poderosos y es una de las más graves restricciones al desempeño total del chip. Los chips de alto desempeño actuales generan una densidad de energía de 100 vatios por centímetro cuadrado, un orden de grandeza mayor que una típica cocina eléctrica. Los chips futuros tal vez lleguen a densidades de energía aún mayores, lo que podría crear una temperatura de superficie próxima a la del sol (aproximadamente 6.000 °C), si no se los enfría. Las tecnologías de enfriamiento actuales, principalmente basadas en conducción de aire forzado (ventiladores) soplando el calor a través de heat sinks con palas espaciadas de forma compacta, llegaron esencialmente a sus límites con la actual generación de productos electrónicos. Para tornar las cosas peores, la energía necesaria para enfriar los sistemas de computadora se está aproximando rápidamente de la energía usada para cálculos, casi doblando de esta forma, la necesidad de energía total.

“Enfriar es un desafío holístico a partir de cada transistor hasta el datacenter. Las técnicas de energía, traídas lo más próximo posible del chip, donde el enfriamiento es necesario, serán cruciales para cuidar de los problemas de energía y enfriamiento dice” dice Michel.

Mirando más allá de los sistemas de enfriamiento por aire, los investigadores de Zurich están llevando sus conceptos aún más al frente del diseño de canales ramificados, y están desarrollando un nuevo y promisorio método de enfriamiento con agua. Llamado de influencia directa a chorro, arroja agua en la parte posterior del chip y aspira el agua de nuevo en un sistema perfectamente cerrado, que usa una disposición de más de 50.000 chorros minúsculos, y una complicada arquitectura de retorno ramificada en forma de árbol.

Al desarrollar un sistema perfectamente cerrado, no existe ninguna preocupación de que el líquido enfriador entre en las partes electrónicas del chip. Además, el equipo de IBM fue capaz de perfeccionar los recursos de enfriamiento del sistema, desarrollando caminos para aplicarlo directamente en la parte posterior del chip y así evitar las interfaces térmicas resistentes entre el sistema de enfriamiento y la silicona.

Los primeros resultados del laboratorio fueron impresionantes. El equipo demostró el enfriamiento de las densidades de energía en hasta 370 vatios por centímetro cuadrado con agua como medio de enfriamiento. Esto es seis veces más que los límites actuales de las técnicas de enfriamiento por aire, aproximadamente 75 vatios por centímetro cuadrado. Además, el sistema usa mucho menos energía para bombear que los otros sistemas.

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