guia do novo coronavirus
Imprimir Republicar

Materiais

Água microencanada pode ser até 50 vezes mais eficiente para resfriar chip

Grupo suíço coordenado por brasileiro cria circuito eletrônico que extrai calor pela circulação do líquido em canais embutidos diretamente no material semicondutor

Sobre uma moeda, os dois lados do chip da EPFL, que tem uma camada de silício e outra de nitreto de gálio e micronais de até 100 micrômetros

R. van Erp/ EPFL

Um grupo da Escola Politécnica Federal de Lausane (EPFL), na Suíça, propôs e fabricou um chip semicondutor dotado de um sistema interno de resfriamento baseado em uma rede tridimensional de microcanais, por onde circula água deionizada, incapaz de transmitir corrente elétrica. Essas ínfimas cavidades vedadas, cuja largura varia de 25 a 100 micrômetros (μm), estão situadas diretamente abaixo dos pontos ativos do circuito em que o calor se origina. O fluxo de água microencanada extrai de forma eficiente o calor dessas regiões termicamente críticas e reduz a temperatura de todo o chip. A abordagem evita que o calor produzido pela atividade dos transistores componentes que amplificam e regulam a passagem da corrente elétrica comece a se dissipar por todo o chip. Esse efeito tornaria a regulação térmica do microcircuito até 50 vezes mais eficiente do que em chips dotados de sistemas convencionais de resfriamento e poderia ser usado para aumentar a miniaturização de componentes eletrônicos, segundo artigo científico publicado na edição desta semana da revista Nature

“Normalmente, a parte eletrônica de um chip e seu sistema de controle de temperatura são desenhados de forma separada e unidos apenas em um segundo momento”, explica a Pesquisa FAPESP o engenheiro eletrônico brasileiro Elison Matioli, chefe do Powerlab da EPFL e coordenador da equipe que desenvolveu o dispositivo. “Juntamos essas duas áreas em um design único e integrado. Assim, evitamos que o calor produzido se espalhe por todo o microcircuito e seja mais fácil evitar o aumento de temperatura.” Protegido por uma patente, o chip semicondutor mede 4 milímetros (mm) por 4 mm e é feito de duas camadas, uma de silício, e outra de nitreto de gálio. Os microcanais podem ser alimentados por água deionizada, como os pesquisadores fizeram em seu protótipo, ou por qualquer líquido que atue como refrigerante. “O maior obstáculo foi construir um chip que não deixasse o líquido vazar”, comenta o engenheiro mecânico holandês Remco van Erp, primeiro autor do paper, que faz doutorado sob orientação de Matioli. “Qualquer pequeno erro no processo de fabricação e a água espirrava para fora do chip como um chafariz.”

Com milhões, às vezes bilhões, de transistores acomodados dentro de chips cada vez mais potentes, encontrar soluções baratas, e que não ocupem muito espaço, para resfriar esses circuitos é um desafio para a indústria eletroeletrônica e também uma questão ambiental. A atividade dos transistores é que gera o calor nos chips. É comum o uso de sistemas baseados na circulação de líquidos para controlar a temperatura de conjuntos de computadores de alto desempenho. Em certos casos, o espaço ocupado por esses sistemas de regulação térmica ultrapassa o tamanho dos chips em si. “Normalmente, a parte eletrônica é pensada de forma separada do mecanismo de refrigeração, o que gera enormes problemas de gerenciamento térmico”, comenta Matioli. Nos Estados Unidos, de acordo com o artigo, os centros de processamento de dados consomem anualmente 100 bilhões de litros de água em seus sistemas de resfriamento e gastam a mesma quantidade de energia de uma cidade norte-americana de 1,6 milhão de habitantes. Nos testes, a energia gasta pelo chip da EPFL para resfriar um fluxo de calor acima de 1.700 watts por centímetro quadrado (W/cm²) foi de ínfimo 0,57 W/cm². O dispositivo funciona com apenas alguns mililitros de água circulando em seus microcanais.

Em artigo de comentário publicado na mesma edição da Nature, o engenheiro mecânico Tiwei Wei, do Interuniversity Microelectronics Centre, de Leuven (Bégica), elogia o desenho e desempenho do novo chip, mas diz que algumas questões ainda precisam ser mais bem estudadas. Ele, por exemplo, argumenta que ainda não se sabe qual é o tempo de vida útil desse tipo de circuito e se ele resistiria a temperaturas de até 250 graus Celsius, comumente usadas na fabricação de dispositivos eletrônicos que poderiam usar esses microchips. “Apesar de desafios que ainda precisam ser vencidos, o trabalho de van Erp e colegas é um grande passo na direção da criação de sistemas de resfriamento de baixo custo, ultracompactos e de eficiência energética”, escreve Wei. “Seu método supera as técnicas de resfriamento de última geração e pode permitir que dispositivos com altos fluxos de calor se tornem parte de nossas vidas diárias.”

Uma versão resumida dessa reportagem foi publicada na edição 296

Artigo científico
VAN ERP, R. et al. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature, 10 set. 2020.

Republicar