خنک سازی میکروچیپ ها از درون با استفاده از میکروقطره‌ی آب

به عنوان بخشی از پروژه‌‌ی پژوهشی ICECool دارپا، لاکهید-مارتین در حال توسعه‌‌ی فناوری است که بتواند میکروچیپ‌‌های با توان بالا را از درون به وسیله‌‌ی قطره‌‌های میکروسکوپی از آب، خنک‌سازی کند.

از زمانی که نخستین لوله‌‌های خلا توسط جان فلمینگ در سال ۱۹۰۴ اختراع شدند، گرمای تولید شده توسط قطعات الکترونیکی یکی از بزرگ‌ترین مشکلات راه توسعه‌‌ی الکترونیک به شمار می‌‌آمده و این دقیقا همان دلیلی است که رادیوهای اولیه به شکل یک لوازم خانگی بزرگ ساخته می‌‌شدند یا اولین رایانه یک اتاق را پر می‌‌کرد! هر یک از این پردازنده‌‌ها نیاز به حجم جریان بسیار بالایی از هوا برای خنک‌سازی داشتند که این به بزرگی بیش از اندازه‌‌ی کل دستگاه می‌‌انجامید.

حتی اولین ماهواره‌‌هایی که به فضا فرستاده می‌‌شدند نیز با وجود بهره‌گیری از مدارهای حالت جامد، نیاز به سرمایش با جریان هوا داشتند. اگر ماهواره‌‌ی اسپوتنیک را دیده باشید متوجه شکل گرد محفظه‌‌ی اصلی آن شده‌اید. علت این شکل انگور مانند، وجود هوا درون محفظه‌‌ی فلزی برای انتقال گرمای قطعات الکترونیکی به بدنه‌‌ی فلزی و دفع آن است.

حتی امروزه نیز گرمای تولید شده توسط اجزای الکترونیکی عاملی محدودکننده برای طول عمر و بازدهی این قطعات محسوب می‌‌شود. برای مثال رایانه‌‌های امروزی از پنکه‌‌هایی برای خنک‌کردن خود استفاده می‌‌کنند و رایانه‌‌های با توان بالا این مشکل را با برقراری جریانی پیوسته از آب برای خنک‌سازی بهتر، حل کرده‌اند. اما مشکل آنجاست که با کوچک‌تر شدن هرچه بیشتر اجزای الکترونیکی -که با افزایش توان مصرفی آن‌‌ها نیز همراه است- بزرگ‌ترین سد مقاوم برابر انتقال گرما در درون خود قطعه خواهد بود و جریان هوا برای انتقال این گرما به عامل خنک‌ساز خارجی کافی نخواهد بود.

در حقیقت مشکل گرما یکی از مهم‌ترین عوامل محدودساز توانایی‌‌های میکروچیپ‌‌های امروزی به شمار می‌‌آید. اگر شما بتوانید مشکل گرما را کنترل کنید، نیاز به استفاده ازتعداد کمتری از چیپ‌‌ها خواهید داشت که این به معنی مواد مصرفی کمتر و در نتیجه کاهش ابعاد و وزن سامانه ضمن کاهش قیمت تمام شده‌‌ی آن خواهد بود. در حالتی بهتر اگر بتوانید تعداد یکسانی از چیپ‌‌ها را درون ابزار خود بدون به وجود آمدن مشکلات ناشی از گرما جای دهید، دستگاه شما بازدهی عملکردی بسیار بهتری خواهد داشت.

اما برنامه‌‌ی دارپا برای حل این مشکل چیست؟ آن‌‌ها می‌‌خواهند با تغییری انقلابی، سامانه‌‌های سرمایشی خود را از حالت خنک‌سازی از راه دور (که امروزه به کار می‌‌رود) به سامانه‌‌هایی با عملکرد از درون تبدیل کنند تا سامانه‌ی خنک‌سازی چیپ با خود چیپ یکپارچه شده و بازدهی کار افزایش پیدا کند. روشی که لاکهید مارتین آن را پیگیری می‌‌کند و به آن "خنک‌سازی با میکروجریان" می‌‌گوید از قطره‌‌ای میکروسکوپی از آب بهره می‌‌گیرد تا بتواند گرما را از مدار اصلی دور کرده و آن را به لایه‌‌ای دیگر برساند تا در آن جا به محیط دفع شود.

تاکنون، لاکهید دو فاز از مراحل توسعه‌‌ی چنین فناوری را به انجام رسانده است. در فاز نخست، قطرات آب درون چیپ‌‌های توان بالای رادیویی قرار گرفتند. با آزمون‌‌هایی که تیم لاکهید مارتین انجام دادند معلوم شد هر یک از این قطرات تا ۱ کیلووات بر سانتی‌متر مربع جریان گرمایی را منتقل می‌‌کند که با بهره‌گیری از چند نقطه می‌‌توان تا ۳۰ کیلووات بر سانتی‌متر مربع نیز رسید. به بیان ساده‌تر می‌‌توان با استفاده از این روش به ۴ تا ۵ برابر بازدهی بیشتر در انتقال حرارت بر واحد سطح برای چیپ‌‌های معمول کنونی دست یافت.

در فاز دوم، گروه فعال بر روی این پروژه در لاکهید مارتین به سراغ تقویت کننده‌‌های فرکانس رادیویی با توان بالا رفتند تا عملی بودن این فناوری را مورد آزمون قرار دهند. در این مرحله، تقویت‌کننده امواج توانست تا ۶ برابر توان خروجی بیشتری را ارائه دهد؛ ضمن اینکه با وجود توان بالاتر دمای نهایی پایین‌تری از دیگر تقویت‌کننده‌‌های با خنک‌سازی معمولی دارا بود.

به گفته‌‌ی شرکت لاکهید مارتین این شرکت هم اکنون در حال توسعه‌‌ی نمونه‌‌ی اولیه‌‌ای از آنتن‌‌های کاربردی با بهره‌گیری از این فناوری خنک‌سازی است و افزون بر این، در همکاری با شرکت Qorvo قصد دارد این فناوری را در چیپ‌‌های گالیم نیترید و پس از آن در چیپ‌‌های گالیم ارسنید به کار بگیرد.

با به بلوغ رسیدن فناوری جدید لاکهید مارتین، به گفته‌‌ی این شرکت بسیاری از کاربردهای نظامی همچون رادارها، ابزارهای جنگ الکترونیک، رایانه‌‌های با توان بالا و سرورهای اطلاعاتی از این فناوری برای افزایش بازدهی و طول عمر خود بهره خواهند گرفت.