הקירור יתבצע באמצעות הזרמת מים בין השכבות של שבבים זעירים
מדענים של יבמ מפתחים טכנולוגיה חדשה לקירור שבבי מחשב הערוכים במבנה תלת מימדי – רכיב מעל רכיב – באמצעות הזרמת מים בין השכבות השונות.
פיזור החום בעזרת נוזל יעיל פי כמה וכמה בהשוואה לקירור באמצעות אוויר, בו נעשה שימוש בשבבים רגילים – מה שפותח את הדרך לפריצת התחזיות המסורתיות כפי שהוגדרו במסגרת חוק מור, לגבי ההתפתחות העתידית בעוצמת המחשוב.
פיתוח זה חשוב במיוחד מאחר ותפוקת החום המצרפית של שבב תלת-מימדי צפויה להיות גבוהה במיוחד: כמעט קילו-ואט שלם לכל סנטימטר מעוקב של שבב – פי עשרה מכל מכשיר אחר שנבנה אי-פעם בידי אדם. למעשה, צפיפות הפקת האנרגיה (כמות החום לכל יחידת נפח נתונה) בשבב כזה גבוהה מזו של כורים גרעיניים.
חוקרים במעבדות המחקר של יבמ בציריך, בשיתוף עם מכון פראנהופר בברלין, הציגו טכניקה חדשה ויעילה במיוחד לקירור שבבים במבנה תלת-מימדי – בעזרת מים. אב-הטיפוס המוצג עתה שואב ומזרים כמיות זעירות של מים – ישירות בין שכבות הסיליקון. המבנה החדש מאפשר להציב אלה מעל אלה יחידות עיבוד ורכיבי זיכרון, אותם אפשר היה למקם עד היום רק אלה לצד אלה. כך, ניתן לצמצם את מימדי השבב ולשפר את ביצועיו, בזכות קיצור המרחק הפיזי בין המעבד לזיכרון, ובזכות האפשרות לפעול במהירויות גבוהות יותר, מבלי שהחום הנוצר עם העלייה בקצב השעון יסכן את השבב או ישבש את ביצועיו.
לפני כשנה, הציגה יבמ חידושים בתהליכי הייצור של שבבים מרובי שכבות במבנה תלת-מימדי, המאפשרים לקצר את המרחק אותו נדרש המידע לעבור בתוך השבב עד כדי אלפית המרחק האופייני לשבבים במבנה דו-מימדי, ולהכפיל פי 100 את מספר ערוצי הנתונים הזמינים בכל שבב.
המדענים ביבמ חוקרים תפיסות וגישות שונות להצבת יחידות זיכרון מעל מעבדים – על מנת להגיע בסופו של דבר לשבבים המשלבים מספר גדול של ליבות עיבוד זו מעל זו. הבעייה היא, שתסריטי מבנה מורכבים כל כך מציבים אתגר אמיתי בתחום הקירור. שיטות קירור מסורתיות אינן ניתנות להרחבה ולמידרוג במסגרת הטכנולוגיה הקיימת – ומה שנדרש הוא קירור בין-שכבתי. עד היום, לא הצליח יצרן שבבים כל שהוא להציג מודל עובד של מערכת קירור כזאת.
הצוות של יבמ מזרים מים אל תוך מערכת הקירור, הבנויה מצינוריות שחתך הרוחב שלהן דומה לזה של שערת ראש ממוצעת – 50 מיקרון בלבד. הצינוריות האלה ערוכות בין שכבות השבב, ומפנות באופן יעיל במיוחד את החום הנוצר במהלך הפעילות. תכונות הולכת החום המשופרות של המים, מאפשרות לקרר ולפנות חום של 180 ואט לכל סמ”ר של שכבת שבב, התופס בסך הכל 4 סמ”ר. הגישה הקלאסית, שבה מקררים רק את צידו החיצוני של השבב, אינה מאפשרת כמובן בניית מבנה תלת-מימדי, שבו ערוכים המעגלים זה מעל זה.
על מנת להוכיח את יעילות הטכנולוגיה החדשה של יבמ, הזרימו החוקרים מים דרך מבנה ניסוי במימדים של 1X1 ס”מ, שכלל שכבת קירור אחת הניצבת בין שני מקורות חום. שכבת הקירור, בגובה 100 מיקרון, כוללת 10,000 נימים אופקיות זעירות, בהן עוברים המים. החוקרים הצליחו להתגבר על הבעיות הטכניות של תכנון וקירור מבנה קירור אטום לחלוטין, שיבטיח זרימה יעילה, אחידה ומהירה של מים – וישמור על אטימה מלאה, על מנת שלא להסתכן בדליפה ובקצר במעגלים החשמליים. ביבמ משווים את אתגר המורכבות של מערכת הקירור הזאת לזה של המוח האנושי: מיליוני עצבים ונוירונים מעבירים ביניהם אותות – מבלי להתערב או להגיע למגע בלתי רצוי עם עשרות אלפי כלי-דם המספקים אנרגיה ומווסתים את רמת החום.
יצור השכבות השונות מבוצע בטכנולוגיות ייצור המוכרות בעולם המיקרו-אלקטרוניקה – למעט תוספת תהליך ייחודי הנדרש על מנת ליצור חורים זעירים, או קדח המאפשר מעבר אותות בין השכבות השונות. בידוד הערצוים האלה התבצע באמצעות הותרת “קיר סיליקון” סביב כל חיבור בין-שכבתי, ותוספת שכבת תחמוצת סיליקון המבודדת את החיבור החשמלי מהמים. תהליך הייצור של המבנה המורכב הזה התבצע ברמת דיוק של 10 מיקרון – פי עשרה מרמת הדיוק הנדרשת במערך החיבורים של שבבים מהדור המוכר כיום.
הרכבת השכבות השונות זו מעל זו התבצעה בטכנולוגיה חדשה שפותחה במיוחד לצורך זה, כאשר בתום התהליך כולו ממוקם מערך העיבוד התלת-שכבתי בתוך מבנה קירור מסיליקון. המים מוזרמים אל צידו האחד של מבנה הקירור, עוברים בין השכבות השונות, ונשאבים החוצה אל הצד השני.
17 תגובות
בעיר שלי יש מערכת הזרמת מים שמאפשרת לעיר גם להיות גדולה פי 3 מבלי לחזק את ההזרמה. זה לא כ"כ יקר…
נניח שמחר איזה חבר יחליט שיש לו פצצה גרעינית: עם חליפות מיוחדות נוכל לברוח מאזור הפגוע די מהר (כדי להמנע מקרינה), ועם זרימת מים בתוך צינורות בתוך המקלטים התת קרקעיים נוכל לקרר את האוויר כך שנשרוד גם את גל החום הראשוני והשריפות מחוץ למקלט. לא רק זה, תחשבו על האפשרויות של להחליף אמצעי כיבוי אש קיימים בתוך טנקים למשל.
ליפתח
המים יקפאו רק בגלל שהוא היה בבגז’ של האוטו שלך בלילה קפוא, גם בלי שתפעיל אותו.
במחשבה שניה אולי לעשות את המחשב עם מיקרוגל שיחמם אותו מתחת לטמפרטורה מסויימת. רצוי להשתמש באנטי פרייז במים.
בכלל, לפני ההפעלה לבדוק אם אין נזילה.
אולי גם לעשות מיכל מים כמו במכוניות שנמלא אותו לפני השימוש.
ואולי…. בכל זאת נוותר על המים?
בחיוך, וחג שמח!
סבדרמיש יהודה
מתן: יופי! כל הכבוד! כולנו מצדיעים! חבל רק שכאשר אינך רוצה להתערב אתה מתערב בכל זאת. מה זה – חוסר שליטה באצבעות?
לא רוצה להתערב אבל רציתי להגיד רק שכבר חשבתי על כל הבעיות שהעליתם כאן ויש לי פתרונות לכולן.
אז, שבוע טוב.
התגובות פה הינן "טחינת מים"…
יהודה. אתה חושב שמישהו יפתח מחשב שינזק בטמפרטורה נמוכה מאפס מעלות? מה זה, פרויקט גמר של חטיבת ביניים?
לארי
בטמפרטורה של מתחת לאפס , הקרח הנוצר מהמים מתפשט בלפחות 10% יחסית למצב הנוזלי. לכן, אם במקרה המחשב היה לא בפעולה, כמו שקורה מידי פעם, והמים יקפאו והרכיב יסיים את תפקידו לנצח.
ודרך אגב, האם מתארים לעצמם מומחי IBM כמה קשה יהיה להחליף רכיב שהתקלקל?, והלחמת הרכיבים ?.
אני אתן לאחרים לחוות על בשרם את פילאי הרכיבים "הרטובים" מספר חודשים,לפני שאני אצטרף ל"חלום רטוב" כזה.
שיהיה לנו שבוע טוב
סבדרמיש יהודה
אבי:
כדאי למצוא פתרון לבעיית הספרור שיהודה מזכיר.
יהודה:
חשבתי על הבעייה של הספרור כבר כשניסחתי את התגובה הראשונית אבל שים לב שכותב התגובות הנדונות לא השאיר לי הרבה ברירה.
יהודה:
הרי ברור שאינני יכול לענות בשמם ואפילו לא לקבל הצעות עבורם.
הניחוש שלי הוא שהם מודעים לכל הבעיות כולל אפשרות הקיפאון.
בנקודה זו, ארי (שגם אני חשבתי עליה אבל לא פירטתי) אין זה נכון לומר שהבעיה פתורה מלכתחילה כי צריך להביא בחשבון גם את הזמן שהמכשיר כבוי. אני מניח שיש כמה אפשרויות ואולי אף כמה פתרונות שנשקלים. לא הרבה מערכות נדרשות בכלל להיות בטמפרטורות שמתחת לאפס וייתכן שאפשר גם להוסיף למים חומר שמוריד את נקודת הקפאון.
איך שלא יהיה – אוויר זה מה שיש היום וכל הפרוייקט נועד לשפר את המצב ולא להשאירו כפי שהוא. כפי שצויין, המים לא סתם משפרים אלא משפרים פי כמה וכמה.
למר יהודה סברדמיש שלום
אנני רואה בעיה עם קיפאון שהרי השבב יוצר חום ואין חלקים נעים כך שקיפאון זה טוב לשבבים.
אנחנו לא חכמים כמו מדעניי IBM אבל אנו מסוגלים לעלות מחשבות שונות בנושא.
לדוגמא, האם ברור למדעניי IBM שהמערכת שלהם עלולה לא לעבוד או אף להתקלקל בטמפרטורה של מתחת לאפס?
האם לא היה עדיף להשתמש בנוזל שטמפרטורת הקיפאון שלו כמה עשרות מעלות מתחת לאפס?
אני עדין חושב שיש להעדיף זרימה של של אויר דרך הצינוריות, פחות סיכונים וסיבוכים של המערכת , אם כי, אני מודה, זה גם פחות יעיל.
אבל אם אוויר יספיק אז למה להסתבך?
מלבד זאת מיכאל, לא לכולם ממוספרות התגובות אז אולי תגדיר אותם בשם?, לדוגמא במקום 5 ו 6 אמור: לתגובה, כך כולם יבינו אותך ולא יהיו חייבים להתחיל לספור.
שבוע טוב
סבדרמיש יהודה
ל 5 ול 6:
לכן כתבתי שזו תגובה לחלק מן התהיות ולא לכולן.
אין לי נתונים על יכולת סילוק החום של כל הנוזלים ולא רציתי לכתוב (למרות שאני בטוח שזה נכון) שמדעני יבמ חכמים מספיק כדי להבין שיש גם נוזלים אחרים ושאם בחרו במים זה בטח אחרי שיקולים מעמיקים המביאים בחשבון הן את קיבולת החום שלהם, הן את מידת התפשטותם תחת חום, הן את מהירות זרימתם בנימים, הן את מחירם, הן את תכונותיהם הכימיות (כדי להבטיח תגובה מינימלית עם הצינורות ועוד ועוד.
.
מיכאל האם קראת את השאלה ? השאלה התייחסה לסוג הנוזל……
ולא מדוע משתמשים בנוזל ולא באוויר.
.
.
אבל מיכאל – השאלה שלי התייחסה לגבי סוג הנוזל……
ולא מדוע משתמשים בנוזל ולא באוויר.
.
תשובה לחלק מן התהיות נמצאת כבר בפסקה השניה בכתבה:
"פיזור החום בעזרת נוזל יעיל פי כמה וכמה בהשוואה לקירור באמצעות אוויר, בו נעשה שימוש בשבבים רגילים"
מים במימדים כאלו מתנהגים אחרת לגמרי מאשר האופן אותו אנו מכירים בימדים הימיומיים המקובלים.
עוד בכיתה ו’ ראינו כיצד מים במבחנה צרה וארוכה אינם נשמעים ל”חוקים” הרגילים.
יש להניח שאל המים הוספו תוספים שונים שישפרו את תכונות הזרימה שלהם במימדים כאלה.
.
מדוע בחרו דווקא במים לספיגת החום שנוצר בשבב? האם לא קיימים נוזלים טובים יותר להסעת חום? אולי שמן לדוגמה או נוזלים אחרים?
שיטה זו יכולה להיות טובה גם לשבבים דו מימדים, כלומר, אם כבר הצליחו לעשות את הצינוריות הנימיות בתוך השבב, רצוי להעביר דרכם אויר. הקירור יהיה גדול יותר מהקיים ולא תהיה סכנה עתידית של דליפה מים ממערכת הצננוריות המסובכת החיצונית והפנימית לשבב, או של יצירת לחץ מסוכן מקיטור שעשוי להיווצר במערכת כתוצאה מן החימום.
דרך אגב, מערכת מעין זו, הכוללת צינורות הולכים וקטנים, מתחילה לקבל צורה של פרקטלים תלת מימדים. מעניין.
סבדרמיש יהודה