В маленьком городке моего детства почему-то часто отключали электроэнергию. Внезапно очутившись в темноте, взрослые эмоционально высказывались в адрес черта и какой-то власти, а я радостно бежал за спичками и свечкой. Это же настоящий праздник: посидеть в полумраке часок-другой, глядя на желтый огонек, и подумать. О чем? Тогда, конечно, еще не о том, что расплавленный парафин поднимается по фитилю за счет капиллярного эффекта. И уж, разумеется, не о том, что в конце века этот самый капиллярный эффект будет охлаждать какие-то горячие микропроцессоры.

Сегодня никого не удивляют микропроцессоры, как и то, что греются они все больше и больше. Что поделаешь: число транзисторов на чипе растет, мегагерцы растут еще быстрее, и это не полностью компенсируют уменьшающиеся микроны и вольты. Не следует думать, что самый горячий чип - это основательно разогнанный Pentium: от чипов, работающих в военных спутниках и радарах, можно прикуривать. Однако такие high-end чипы охлаждаются системами, про которые даже богатые военные говорят слова high-cost. Как же еще говорить про алмазные или хотя бы покрытые алмазом охлаждающие подложки? (Знает ли читатель, что алмаз - абсолютный чемпион не только по твердости, но и по теплопроводности?) Разумеется, из сотовых телефонов и персональных компьютеров наковырять алмазов не получится: в low-end электронике используются low-cost решения для охлаждения греющихся чипов. Традиционный дизайн - кремниевый чип крепится к эпоксидной подложке, армированной стекловолокном и нагруженной медными вкладышами, которые снимают с чипа тепло и выводят его из корпуса микросхемы. Более современный и все более необходимый дизайн - посадка чипа на тепловой растекатель, то есть на очень широкую цельнометаллическую подложку, обратная сторона которой выглядывает из корпуса микросхемы и принудительно охлаждается воздухом посредством радиатора и вентилятора. Назначение этой подложки-растекателя состоит не только в снятии с чипа избыточного тепла и выведении его из корпуса микросхемы через широкую внешнюю поверхность, но и в равномерном распределении температуры по поверхности чипа. Последнее особо важно: если чип греется сильно и неравномерно, то есть с большими градиентами температуры, то в нем возникают значительные механические напряжения, порождающие микротрещины в кристалле и, как результат, разрывы электрических цепей. (Часто после остывания чипа берега трещин смыкаются, цепи восстанавливаются, и это подвигает многих на дальнейшие эксперименты по разгону уже искалеченного процессора.) Итак, идеальная охлаждающая подложка должна обеспечивать как интенсивный отвод тепла от чипа, так и отсутствие на нем "горячих пятен". Первое требует алмазной теплопроводности при цене грязи, а для второго и вовсе нужна неоднородная, переменная по поверхности теплопроводность подложки. Ясное дело: таких милостей от сплошного куска меди не дождешься. Да и не надо, ведь человек способен создавать материалы, существенно превосходящие природные по своим свойствам. Достигается это, как правило, за счет "умной" микроструктуры искусственного материала. Например, кевлар, армированный углеродным волокном, в десятки раз прочнее на разрыв, чем лучшая сталь. А вот и еще пример, совсем свежий: эффективная и дешевая подложка для охлаждения горячих чипов, изобретенная Дэвидом Бенсоном из Sandia National Laboratories, США.

Суть изобретения Бенсона заключается в создании внутри подложки такой "умной" микроструктуры, которая "перекачивает" тепло гораздо эффективнее сплошной меди. Подложка пронизана паутинообразной сетью микроскопических трубочек, частично заполненных жидким охладителем. В горячих местах подложки охладитель вскипает, забирая много тепла, и в виде пара быстро достигает холодных мест, где конденсируется, выделяя опять-таки много тепла. Каждый, кто изучал физику и/или обжигал руку паром, знает, насколько велика удельная теплота испарения/конденсации жидкостей. Именно по этой причине "тепловые микротрубочки" внутри подложки Бенсона очень хорошо "качают" тепло из горячих мест в холодные. И столь же хорошо они "качают" жидкий охладитель из холодных мест обратно в горячие, потому что они - МИКРОтрубочки диаметром порядка десяти микрометров. Капиллярный эффект - тот самый, что питает парафином огонек свечки - обеспечивает огромную и совершенно даровую силу, быстро перекачивающую сконденсировавшийся охладитель в те области подложки, где он снова испарится. Внутри подложки, в паутине микротрубочек, как бы устанавливается ровный микроклимат, подобно тому, как циркуляция атмосферы и гидросферы Земли избавляет нас от убийственных перепадов температуры, характерных для Луны. И точно так же, как подложка Бенсона пронизана сетью "тепловых микротрубочек", его идея пронизана красивой, живой, работающей физикой, о которой приятно рассказывать.

Ну, а как насчет практической и массовой реализуемости? С этим у изобретения Бенсона всё ok! Конечно, всего лишь полвека назад это было бы фантастикой - насверлить в металлической пластине сотни тысяч взаимосвязанных микроскопических тоннелей, но тогда такие подложки были ни к чему. В наши дни, когда микротехнологии уверенно переходят с 0,35 на 0,25-микронные рубежи, создание в металле сети тоннелей диаметром от 5 до 50 микрометров с плотностью 250000 структур на квадратный дюйм - это сущий "ширпотреб". Делается это так. На двух тонких пластинках из железоникелиевого сплава (Fe-Ni хорошо "прилипает" к кремнию чипа) повторяющимися процессами фотолитографии и электролитического осаждения создаются две зеркально симметричные рельефные картинки в виде паутины гребней и впадин (см. электронную фотографию, где ширина гребней - от 10 до 20 мкм). Затем эти пластинки складывают картинка к картинке, так что вершины гребней смыкаются, а впадины между ними образуют сеть микротрубочек. Остается только ввести внутрь пару капель жидкого охладителя, чтобы микротрубочки стали "тепловыми", и запаять по периметру получившийся "сэндвич". Изготовленная таким образом охлаждающая подложка имеет толщину не более 0,05 дюйма (чуть толще лезвия бритвы) и обеспечивает вдвое большее снижение температуры чипа, чем толстый медный тепловой растекатель. Ожидаемая цена подложек Бенсона составляет $0,5 за кв. дюйм против более чем $1 за кв. дюйм обычных подложек. Кроме того, подложки Бенсона очень мягкие и гибкие, их можно гнуть и даже штамповать без нарушения сети микротрубочек и охлаждающих свойств, то есть можно сформировать радиатор прямо из подложки. А "горячие пятна" на чипе? Они не возникают, потому что именно самые горячие области чипа вызывают наиболее бурное кипение охладителя и наиболее интенсивную его подкачку из холодных областей подложки. Разумеется, тип жидкого охладителя, а также геометрию и топологию сети "тепловых микротрубочек" можно и нужно подбирать под конкретный чип, под его архитектуру и режим функционирования. Поэтому не исключено, что через год-два просьба ученого или геймера "заменить этот процессор на такой же, но с тройным охлаждением FPU" никому не покажется странной.

Сергей СЕРЫЙ