Prezentacje pomysłów - Lepsze zarządzanie energią cieplną stanowi obietnicę tańszej, bardziej przyjaznej ekologicznie i fascynującej elektroniki
Udoskonalenie zarządzania energią cieplną jest konieczne, jeśli stopień przetwarzania ma nadal wzrastać w miarę jak komponenty elektroniczne stają się coraz mniejsze. Zbyt wiele wydzielającego się ciepła, którym nie można efektywnie zarządzać, stanowi ograniczenie w pracy mikroukładów, obniża niezawodność, a także pociąga za sobą koszty oraz wpływa na środowisko. Najlepszym przykładem problemu z punktu widzenia technicznego, środowiskowego i ekonomicznego są ośrodki przetwarzania danych. Te olbrzymie budynki – czasem o wielkości kilku boisk futbolowych – wykorzystywane są przez różne sektory przemysłu w celu przechowywania i przetwarzania danych. Szeregi zainstalowanych komputerów we wnętrzu tych budynków generują duże ilości ciepła. W rzeczywistości jest go tak dużo, że przeszło połowa kosztu budynku idzie na pokrycie instalacji systemu chłodzenia, który z kolei wymaga więcej energii do pracy, co podwyższa emisję węgla. Identyczne problemy występują we wszystkich sektorach przemysłu wykorzystującego mikroelektronikę – od telekomunikacji, aż po lotnictwo. Stąd też istnieje paląca potrzeba znalezienia lepszego rozwiązania. Europejskie przedsiębiorstwa, takie jak Thales, Bosch i IBM zaczęły współpracować z instytutami naukowymi i uniwersytetami, a w rezultacie otrzymały finansowanie z Komisji Europejskiej w celu opracowania nowych materiałów i procesów, które mogłyby rozwiązać problem zarządzania energią cieplną. Wysiłki te, realizowane w ramach projektu pod nazwą "Technika nano opakowań do połączeń i rozproszenia ciepła" (Nanopack) przyniosły w rezultacie nowe materiały interfejsu termicznego (TIM), opracowane przy użyciu mikro- i nanotechnologii oraz zapewniające znaczną poprawę odbierania ciepła z mikroukładów i innych komponentów elektronicznych, co z kolei redukuje wymagania nałożone na systemy chłodzenia, a także obniża koszty i zużycie energii. Materiały te zaprezentowane zostały na szeregu pokazach wraz z zastosowaniami w wielu różnych sektorach, przy czym niektóre z nich są już stosowane na rynku, bądź też wejdą prawdopodobnie na rynki w najbliższej przyszłości. "W firmie Thales wytwarzamy systemy radarowe do samolotów. W takim środowisku problemy termiczne są szczególnie ważne, ponieważ mamy do czynienia z bardzo małymi oraz bardzo zamkniętymi przestrzeniami. Koszt architektury termicznej radaru wynosi obecnie około 40% wartości całego produktu," mówi Afshin Ziaei, dyrektor ds. badań naukowych we francuskiej firmie Thales Research & Technology. Aby zająć się tym problemem, naukowcy z projektu Nanopack zaprojektowali prototypowe wzmacniacze wysokiej mocy, których tysiące znajdują się w czynnych antenach systemu radarowego w samolocie, stosując nowe opracowane materiały. Dzięki zastosowaniu specjalnych przewodzących ciepło smarów i klejów zawierających mikrowypełniacze w nanoskali, umieszczone pomiędzy mikroukładami wzmacniaczy i w ich opakowaniach, zespół projektu poprawił wymianę ciepła bez potrzeby stosowania dodatkowego chłodzenia. Testowano także inne, bardziej eksperymentalne techniki, polegające na tym, że do wzmacniaczy wprowadzono miniaturowe rurki nanowęglowe ukierunkowane pionowo w roztworze w taki sposób, by ciepło odprowadzane było do góry poprzez środki rurek. Niezbyt nagrzane miejsce Zespół projektu Nanopack opracował dla Thales Avionics lepszy sposób zarządzania energią cieplną w systemach rozrywki stosowanych w samolotach, gdzie znajduje się tzw. "elektroniczny pakiet fotela" (SEB), umieszczony pod każdym siedzeniem pasażera w nowoczesnych samolotach i służący do rejestracji filmów, muzyki, gier i innych elementów, przedstawianych na indywidualnych ekranach. "Jest to następny problem związany z umieszczeniem elektroniki w małej, ciasnej i zamkniętej przestrzeni z ograniczonymi możliwościami chłodzenia − odprowadzenie ciepła w takim środowisku jest poważnym problemem," twierdzi Pan Ziaei. "Zastosowaliśmy rurkę cieplną z wypełniającym smarem z mikroelementami, które stanowią interfejs termiczny do odprowadzania ciepła wydzielanego przez komponenty do pakietu SEB, a z pakietu SEB do zewnętrznego radiatora." Dla celów prezentacji, zespół rozważał również zastosowanie innego rozwiązania; a mianowicie siatki z włókna polimerowego połączone ze stopem metalowym, co nieco przypomina cienki arkusz folii aluminiowej, który jak wykazują testy, odbiera dwa razy wiecej ciepła niż smary lub kleje. W opracowaniach dla firmy Bosch, zespół projektu Nanopack opracował także smary i kleje redukujące ciepło wydzielane przez tranzystory w module wzmacniacza mocy w rynkowym, elektrycznym zespole wspomaganego kierowania stosowanym w samochodach. "W tym przypadku, lepsze zarządzanie energią cieplną oznacza, że podzsepół może pracować w wyższych temperaturach i spisywać się lepiej, bądź też pracować w takiej samej temperaturze z wyższą niezawodnością," mówi szef projektu. W międzyczasie IBM wyjorzystuje materiały i techniki opracowywane i ulepszane przez Nanopack w zastosowaniu do rozszerzonych mikroukładów. Smar i technika pod nazwą "Hierarchiczny kanał zagnieżdżony" (HNC), wykorzystujące mikrostruktury do poprawy przewodności, zostały już zastosowane przez IBM w opracowanym komputerze Aquasar Supercomputer, który dzięki użyciu niezwkłego układu chłodzenia, posiada obciążenie węglowe mniejsze o 85% w stosunku do porównywalnych systemów. Dzięki upewnieniu się, że materiały i procesy są kompatybilne z wiekoseryjnymi procesami produkcyjnymi, zespół skoncentrował się nie tylko na badaniach i rozwoju, lecz także opracował materiały i procesy, które prawdopodobnie zastosowane zostaną w produktach handlowych i systemach w niedalekiej przyszłości. Z tego powodu, realizowano również prace dotyczące bardzo ważnej dziedziny charakteryzacji materiałów, usiłując ustalić wzorzec do testowania cieplnej przewodności materiałów, by ich właściwości były zrozumiałe dla każdego. "Na samym początku prac nad projektem wykonaliśmy ślepą próbę i wysłaliśmy te same testowane materiały do wszystkich partnerów, by dokonali swoich pomiarów stosując własne metody charakteryzacji. Okazało się, że różnice w uzyskanych wynikach wahały się w granicach od 50 do 100%. Obecnie, pod koniec realizacji projektu, po opracowaniu narzędzi do charakteryzacji oraz metod, zakres błędu ograniczony został do dużo bardziej akceptowanej wielkości 20%," mówi Pan Ziaei. Podobnie, trójwymiarowe symulacje projektowania materiałów mogą zapewnić ważne informacje o właściwościach materiałów przed ich rozwinięciem, w trakcie prac oraz po ich zakończeniu. Na przykład, szwedzki partner FOAB zastosował narzędzia symulacji do zaprezentowania w jaki sposób mikroukład może być chłodzony z radiatorem zbudowanym z rurek węglowych. "Dzięki temu, jesteśmy w stanie zasymulować wymianę ciepła między komponentem a systemem," mówi Pan Ziaei. Niektóre narzędzia charakteryzacji i symulacji mają zostać skomercjalizowane przez partnerów projektu. Projekt Nanopack otrzymał 7,4 miliona euro (całkowity budżet wyniósł 11,03 miliona euro) na badania naukowe, z podprogramu pod nazwą "Integracja komponentów nanoelektroniki i elektroniki następnej generacji", objętego Siódmym Programem Ramowym UE (FP7). Zdjęcie: Zdjęcie prezentacyjne (przekazane przez FOAB) przedstawia pracę urządzenia mikrochłodzenia, w którym energia cieplna odprowadzana jest przez chłodziwo przepływające w mikrokanałach. Użyteczne odnośniki: - Projekt "Technika nano opakowań do połączeń i rozproszenia ciepła" - Rejestr danych projektu w organizacji CORDIS Odnośne publikacje: - Nowe chłodzące materiały do rozgrzanej elektroniki - Elegancka optoelektronika - mechanika kwantowa w nowych materiałach - Nanokulki rozszerzają ograniczenia w twardych dyskach - Rozszerzanie ograniczeń miniaturyzacji mikroukładów - EUROPRACTICE oferuje korzyści naukowcom z dziedziny nanotechnologii