Microchips con sistemas de refrigeración

Mientras comprimimos la electrónica en espacios cada vez mas pequeños, lidiar con el calor que se genera es un problema cada vez mayor. Recientemente, los investigadores han desarrollado un sistema de refrigeración líquida integrado directamente dentro  de un microchip cuyos resultados superan dramáticamente las soluciones precedentes.

Durante décadas, el incremento de potencia de los ordenadores y otros dispositivos electrónicos se ha llevado a cabo aumentando el número de transistores integrados que éramos capaces de incluir en cada chip. Pero estos componentes emiten calor cuando están en funcionamiento y, al comprimir los transistores cada vez más, la temperatura sube intensamente.

Si los chips se calientan demasiado funcionan mal, un importante obstáculo para continuar con la miniaturización electrónica y esto, unido al elevado coste en recursos, es un problema para las grandes empresas con mucho hardware. Solo en Estados Unidos los centros de datos consumen más de 24 teravatios-hora y 100.000 millones de litros de agua al año, los recursos equivalentes al consumo de una ciudad como Filadelfia.

Un nuevo sistema de enfriamiento a través de micro canales de refrigeración podría proporcionar un enfriamiento significativamente mejor con mucha menos agua. Según los autores de la investigación, publicada en la revista Nature, el rendimiento de este método es 50 veces mas efectivo que sistemas de refrigeración de ultima generación.

"Esta tecnología de enfriamiento nos permitirá construir dispositivos electrónicos aún más compactos, que reducirían considerablemente el consumo energético en el mundo", aseguró Elison Matioli, director del estudio que se ha llevado a cabo en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza.

La mayoría de los chips actuales se enfrían usando materiales térmicos para transferir el calor de los componentes a un gran disipador de calor metálico que dispersa el calor en el aire con la ayuda de un ventilador. Se trata de un sistema muy ineficiente que genera importantes problemas de sobrecalentamiento en los aparatos electrónicos.

Aunque el uso de la refrigeración líquida es mucho más eficaz, hasta el momento lo hecho consistía en adaptar a los chips dispositivos exteriores similares a un radiador. La diferencia ahora es que, con esta nueva estrategia, basada en diseñar los canales de refrigeración integrados en el chip desde el inicio del diseño, se maximiza la transferencia de calor.

“Colocamos micro canales de fluido lo más cerca posible de los puntos calientes del transistor. Utilizando un proceso de fabricación sencillo e integrado, podemos extraer el calor exactamente del lugar correcto, evitando que se difunda por el dispositivo”, señala Matioli.

Esta técnica se basa en un novedoso proceso de grabación de canales directamente en el sustrato del chip. Para probar su eficacia, los investigadores construyeron un convertidor de AC a DC demostrando que podía hacer frente fácilmente a flujos de calor de 1.700 vatios por centímetro cuadrado.

Hoy, un disipador de circuitos capaz de ofrecer rendimientos similares tendría el tamaño de un puño pero, con este sistema, el equipo consiguió reducirlo a un tamaño similar a un USB, y refrigerar un circuito con esas dimensiones (1700 vatios) necesita un flujo de agua de menos de un mililitro por segundo.

Hasta ahora, los investigadores solo han implementado esta idea en dispositivos electrónicos de potencia, responsables de controlar y convertir la electricidad. Estos son bastante diferentes de los circuitos de procesamiento de datos que se encuentran en los ordenadores; replicar esta idea en otro tipo de chips sería un gran desafío.

Para empezar, la electrónica de potencia generalmente se construye con semiconductores de nitruro de galio en lugar de silicio. Pero lo que es más importante, estos chips son mucho más simples que los procesadores de ordenadores. John Timmer reconocía en un artículo publicado en Ars Technica que alinear los canales refrigerantes con todos los componentes en un chip seria mucho más complejo y complicado, pero podría controlar la actividad de manera que esta fluctuase según la tarea.

En cualquier caso, estos circuitos de alimentación están presentes en todo tipo de dispositivos electrónicos, desde data centers hasta vehículos eléctricos. El aumentar su eficiencia mejoraría significativamente nuestras facturas eléctricas, reduciendo el tamaño y peso de dispositivos, algo que influirá significativamente a drones o dispositivos wearables…

Edd Gent, especialista en ciencia y tecnología