Gordon Moore, co-fondatore di Intel, nel 1965 prevedeva che l’informatica sarebbe aumentata di potenza e il prezzo sarebbe diminuito in modo esponenziale; per decenni quella che più tardi divenne nota come Legge di Moore si dimostrò vera, poiché la potenza di elaborazione dei microchip raddoppiò approssimativamente e i costi diminuirono ogni due anni, ma, mentre la potenza aumentava in modo esponenziale, aumentava anche il calore prodotto da miliardi di transistor su un chip delle dimensioni di un’unghia, e quando l’elettricità incontrava la resistenza che passava attraverso quei processori, creava calore.
La presenza di più processori significa temperature più elevate che minacciano la continua crescita della potenza del computer perché, man mano che si surriscaldano, i chip diminuiscono di efficienza e alla fine si guastano. C’è anche un costo ambientale, questi chip, e il raffreddamento che richiedono, divorano energia con una fame insaziabile. I data center utilizzano circa l’uno per cento dell’elettricità del mondo, solo negli Stati Uniti, consumano elettricità e acqua per il raffreddamento più o meno equivalente a quelli utilizzati dall’intera città di Philadelphia in un anno.
I ricercatori svizzeri nella rivista Nature hanno pubblicato uno studio riporta che hanno una soluzione al problema del raffreddamento. Elison Matioli, docente dell’Istituto di Ingegneria Elettrica dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) che ha condotto lo studio, ha detto:
«I data center consumano un’enorme quantità di elettricità e di acqua, poiché ci affidiamo sempre più a questi dati, il consumo non fa che aumentare. Trovare il modo di gestire il calore dissipato o la potenza dissipata è quindi una questione estremamente importante».
I precedenti tentativi di raffreddare i microchip si sono basati su dissipatori di metallo, spesso combinati con ventole, che assorbono il calore e si comportano come un sistema di scarico, alcuni data center si affidano al fluido che scorre attraverso i server per aspirare il calore, ma questi sistemi sono progettati e realizzati separatamente e poi combinati con i chip.
Elison Matioli e il suo team hanno progettato e fabbricato insieme i chip e i loro sistemi di raffreddamento a fluido, nel nuovo design, gli elementi di raffreddamento sono integrati in tutto il sistema creando microcanali per il fluido all’interno dei semiconduttori che dissipano il calore, risparmiano energia e mitigano i problemi ambientali creati dai data center. Il loro lavoro potrebbe anche avere importanti applicazioni in un futuro elettrificato, aiutando ad eliminare il problema del calore e riducendo le dimensioni dei convertitori di potenza su automobili, pannelli solari e altri dispositivi elettronici. Il team ha scritto:
«La tecnologia proposta dovrebbe consentire un’ulteriore miniaturizzazione dell’elettronica, estendendo potenzialmente la Legge di Moore e riducendo notevolmente il consumo di energia nel raffreddamento dell’elettronica».
Yogendra Joshi, professore di ingegneria alla Georgia Tech, che non faceva parte dello studio, ha detto:
«Il calore prodotto dai chip nell’elettronica è stato un problema già negli anni ’80. I primi microprocessori come la prima unità di elaborazione centrale di Intel, rilasciata nel 1971, non creavano abbastanza calore da richiedere un raffreddamento. Ventilatori e dissipatori di calore negli anni ’90 furono integrati praticamente in tutte le unità di elaborazione centrale – il cuore fisico del computer che include la memoria e i componenti di calcolo – mentre l’aumento di potenza creava un aumento del calore, ma affidarsi a dissipatori di calore metallici che aspirano il calore e lo dissipano attraverso l’aria aumenta la temperatura dell’intero dispositivo e crea un loop che produce solo più calore».
Elison Matioli ha aggiunto:
«L’elettronica di solito non funziona molto bene quando è calda, quindi, in un certo senso, si riduce l’efficienza dell’intera elettronica, che finisce per riscaldare di più il chip».
I ricercatori già nei primi anni ’90 hanno esplorato la microfluidica, la scienza del controllo dei fluidi in piccoli canali. Gli sforzi sono aumentati dopo che la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti si è interessata per la prima volta a questa tecnologia alla fine degli anni ’90, aumentando l’interesse nel 2008, quando il numero di transistor che producono calore su un chip a microprocessore è passato da migliaia a miliardi. Yogendra Joshi stima che l’agenzia dal 2012 abbia speso 100 milioni di dollari per la ricerca, compreso il finanziamento di quelli che ha chiamato programmi ICECool presso IBM e Georgia Tech.
L’integrazione del raffreddamento a liquido nei chip nel corso degli anni è stata esplorata attraverso tre progetti di base. I primi due progetti non hanno portato il fluido di raffreddamento a diretto contatto con il chip: uno utilizzava un coperchio a piastra fredda con canali microfluidici per raffreddare i chip; un altro prevedeva uno strato di materiale sul retro dei chip per trasferire il calore ad una piastra raffreddata a liquido senza il coperchio.
Il terzo progetto, quello che Elison Matioli e il suo team hanno esplorato, porta il liquido di raffreddamento a diretto contatto con il chip. La ricerca di Elison Matioli si basa sul lavoro di Yogendra Joshi e altri, nel 2015 insieme al suo team ha riferito di aver tagliato i canali del fluido direttamente nei circuiti integrati, ottenendo temperature inferiori del 60% rispetto al raffreddamento ad aria.
Yogendra Joshi ha detto:
«La tecnologia di raffreddamento sarà assolutamente fondamentale, l’utilizzo di fluidi diversi dall’aria è una parte fondamentale per poter eliminare questi requisiti di scarto di calore molto elevati messi in atto dai computer».
È questo ciò che ha sviluppato la ricerca di Elison Matioli. Il team per testare il loro concetto, ha progettato un chip raffreddato ad acqua, che concentra la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC) integrando microcanali riempiti d’acqua nello stesso substrato semiconduttore. Il substrato che hanno usato era il nitruro di gallio, piuttosto che il silicio, ciò ha permesso una miniaturizzazione molto più piccola rispetto al tipico utilizzo del silicio.
Il risultato, secondo la documentazione, è una potenza di raffreddamento fino a 50 volte superiore a quella dei modelli convenzionali. L’accorgimento è stato trovare una tecnica per fabbricare i chip in modo che i canali del fluido, che vanno da 20 micron (la larghezza di una cellula della pelle umana) a 100 micron, fossero il più vicino possibile all’elettronica. Hanno combinato quelli con grandi canali sul retro del chip per ridurre la pressione necessaria per far fluire il liquido.
Elison Matioli ha detto:
«L’analogia è che è come il nostro corpo, abbiamo le arterie più grandi e i capillari più piccoli ed è così che l’intero corpo riduce al minimo la pressione necessaria per distribuire il sangue».
La tecnologia di raffreddamento ha il potenziale per diventare una parte fondamentale dei convertitori di potenza che vanno dai piccoli dispositivi alle auto elettriche. Il team del convertitore creato da Elison Matioli ha spinto fuori più di tre volte la potenza di un tipico caricabatterie per laptop, ma era grande come una chiavetta USB. Lo paragona all’evoluzione di un computer che una volta riempiva una stanza e che ora entra in una tasca.
Elison Matioli ha detto:
«Potremmo iniziare a immaginare la stessa cosa per l’elettronica di potenza in applicazioni che vanno dagli alimentatori ai veicoli elettrici, agli inverter solari per pannelli solari e a tutto ciò che ha a che fare con l’energia, quindi questo apre molte possibilità».
Il team di Elison Matioli senza entrare nel dettaglio ha detto che sta suscitando l’interesse dei produttori. Yogendra Joshi ha detto:
«La ricerca è un primo passo, c’è ancora molto lavoro da fare per aumentare il livello di questo metodo e la sua implementazione in prodotti reali».
Tiwei Wei, uno studioso della ricerca dell’Università di Stanford che non faceva parte dello studio, in un commento su Nature, ha detto:
«Restano ancora delle sfide da affrontare per implementare il progetto, compreso lo studio della longevità dello strato di nitruro di gallio e di possibili problemi di fabbricazione, ma il loro lavoro è un grande passo verso sistemi di raffreddamento a basso costo, ultracompatti ed efficienti dal punto di vista energetico per l’elettronica di potenza».