Производители электроники твёрдо уверены, что закон Мура будет действовать ещё несколько лет благодаря недавним технологическим усилиям по созданию гетерогенно-интегрированных корпусов. Гетерогенная интеграция (HI — Heterogeneous integration) может осуществляться на уровне чипа (один кристалл с несколькими горячими точками), в многокристальных модулях или в вертикально расположенных трёхмерных (3D) интегральных схемах. Значения потока увеличились в геометрической прогрессии, при одновременном уменьшении размера чипа, а также значительном увеличении производительности, что привело к увеличению тепловыделения. Электронная промышленность рассматривает различные решения для преодоления стремительно растущих проблем управления температурным режимом. Встроенное охлаждение устраняет большую часть последовательного сопротивления проводимости от чипа к окружающей среде, в отличие от отделяемых холодных пластин/радиаторов. Хотя внедрение такой системы охлаждения в электронный чип приводит к высокому потенциалу теплопередачи, технологические риски и сложность по-прежнему связаны с внедрением этих технологий и с неопределённостью, относительно того, какие технологии будут эффективны в будущем.
Понятие «встроенное охлаждение» в широком смысле охватывает технологии охлаждения, расположенные непосредственно на активном электронном устройстве или внутри него (например, на микропроцессоре или силовом электронном устройстве). Стратегии встроенного охлаждения могут использовать чисто кондуктивную передачу тепла (контактный теплообмен), однофазную или двухфазную принудительную (или естественную) конвекцию, иммерсионное охлаждение, теплоотводящие трубки или камеры, активное охлаждение или охлаждение с изменением фазы. Приближение охлаждения к активному устройству становится все более необходимым в связи с увеличением тепловых потоков в микропроцессорах и силовой электронике, а также увеличением плотности упаковки устройств и уменьшением их форм-фактора. С точки зрения этих тенденций, вычислительная мощность микропроцессора достигает теплового предела из-за экспоненциального роста тепловыделения, что совпадает с законом Мура.
В результате, эти факторы создают узкое место в развитии ядер микропроцессоров. Также развивается тенденция совместного размещения нескольких устройств в одном корпусе (что и называется гетерогенной интеграцией) или трёхмерными интегральными схемами (3DIC — three-dimensional integrated circuits). Более плотная упаковка электроники означает более быструю связь и вычисления, что особенно важно для высокопроизводительных серверов. Эти тенденции сближают пакеты с высоким тепловым потоком, а это означает, что обычное боковое распространение становится все более трудным из-за тесной пространственной интеграции схем. В силовой электронике возможны экстремальные тепловые потоки, что требует новых стратегий (например, 30 кВт/кв. см. на транзисторе и не менее 1 кВт/кв. см. на кристалле). Встроенное охлаждение даёт преимущество в борьбе с высокими тепловыми потоками за счёт исключения материалов термоинтерфейса, которые в противном случае увеличили бы сопротивление и нанесли бы ущерб тепловому балансу.
Архитектуры встраиваемых технологий охлаждения имеют сейчас уже множество форм. Общая иерархия включает технологии, основанные на проводимости и конвекции. Технологии, основанные на проводимости, включают в себя плёнки с высокой теплопроводностью (например, алмазное химическое осаждение из паровой фазы) для распространения тепла вблизи перехода, тепловые радиаторы с отверстиями из меди для вертикальной передачи тепла с поверхности чипа и термоэлектрические устройства для активного охлаждения. Другие же — на основе конвекции, обычно используют структуры, направляющие жидкость, сверху или внутри активного электронного устройства (т.е. охлаждение между кристаллами или внутри чипа) и расширенные поверхности. Такие, встроенные системы, в основном изготавливаются из протравленных микроканалов, изготовленных на микрофабрикатах.
Стратегии пассивного встроенного охлаждения улучшают кондуктивную теплопередачу внутри чипа за счёт использования материалов с высокой теплопроводностью, которые помогают снизить тепловое сопротивление. Один из методов заключается в добавлении тепловых переходных отверстий, идущих вертикально, и тепловых межрёберных соединений, идущих сбоку, которые могут служить в качестве тепловых путей и, потенциально, в качестве путей электрического сигнала. Поскольку медь имеет гораздо большую проводимость, чем традиционные диэлектрики, используемые в микропроцессорах, увеличение плотности меди в межсоединительном слое, помимо требований к электрическому сигналу, увеличивает тепловые характеристики. Стратегии терморегулирования на основе проводимости включают сквозные кремниевые переходные отверстия, которые проводят тепло вертикально через горячие точки и покрытие активных слоёв материалами с высокой теплопроводностью, такими, как пиролитический графит.
Технологии конвективного встраиваемого охлаждения, такие как протравленные кремниевые микроканалы и металлические охлаждающие ребра трёхмерной печати. Они формируются и подключаются непосредственно к активному устройству. Больше всего разрабатывались технологии на основе микроканалов с травлением кремния, хотя также рассматривались альтернативные решения (например, нанесение металлических рёбер на кремний). Важным фактором является выбор охлаждающей жидкости, а также то, работает ли эта жидкость в режиме однофазной или двухфазной конвекции. Двухфазное охлаждение может работать при небольших перепадах температур, даже при последовательном охлаждении нескольких устройств, из-за большой теплоёмкости многих жидкостей.
Проектировщики должны работать с тепловыми потоками ниже критических значений, поскольку при их превышении происходят внезапные сбои. Вода обладает превосходной теплоёмкостью и безопасно используется для охлаждения электроники в надёжных сантехнических решениях, таких как для мэйнфрейма (высокопроизводительного сервера) ZEnterprise 196 корпорации IBM. Однако вода не может вступать в контакт с активными электронными схемами и по-прежнему рассматривается некоторыми конечными пользователями, как опасная субстанция для микроэлектроники.
Для непрямого охлаждения с помощью холодных пластин химическая и электрическая совместимость между жидкостью и электронными компонентами не является проблемой, и можно использовать воду, с её отличными свойствами теплопередачи. В случае непрямого охлаждения, когда жидкость непосредственно не контактирует с активными устройствами (класс неактивного контактирования), жёстких ограничений на электрические свойства жидкости не требуется. Однако для встроенного охлаждения, при котором жидкость вступает в контакт с активными запитанными устройствами (класс активного контакта), к жидкости предъявляются строгие химические и электрические требования. Для совместимости с подложкой чипа и материалами печатных плат, такими как печатные платы, силикон и пластик, жидкость должна быть химически инертной и не поглощаемой этими материалами. Кроме того, между близко расположенными проводниками должна быть обеспечена электрическая изоляция. Желательные свойства жидкости для встроенного охлаждения включают стабильность, нетоксичность, негорючесть, инертность, высокую диэлектрическую прочность и низкое воздействие на окружающую среду. Поэтому были также рассмотрены для применения различные диэлектрические жидкости, такие как Novec и минеральное масло. Конечно, они стоят дороже воды и часто обладают менее желательными свойствами рассеивания тепла (т.е. теплопроводностью, удельной теплоёмкостью, теплотой преобразования и критическим тепловым потоком кипения), но они являются электроизоляционными.
Наиболее прагматичным и надёжным решением терморегулирования для современных электронных корпусов является использование радиаторов/холодных пластин с параллельными каналами, которые отдельно крепятся к устройству. Такие решения принимают форму либо воздушного охлаждения, либо жидкостного. Как один, так и другой тип имеют множество преимуществ и проблем. Основным преимуществом радиатора с воздушным охлаждением является то, что это самая надёжная технология. Однако низкие свойства теплопроводности воздуха затрудняют отвод тепла и часто требуют конструкции объёмного радиатора, обеспечивающей достаточную площадь поверхности. В дополнение к необходимой большой конструкции радиатора, сейчас часто используются тепловые трубки и паровые камеры для эффективного перемещения и распределения тепла от небольшой площади чипа.
Радиаторы с жидкостным охлаждением представляют собой компактные решения по управлению температурным режимом, с высокой теплопередачей и превосходными возможностями. Однако они часто подвержены утечкам теплоносителя, из-за работы под высоким давлением. Кроме того, низкие диэлектрические свойства воды препятствуют внедрению их вблизи чипа (активной электрической цепи). Будущие тенденции теплового потока и размеров чипов создадут более серьёзные проблемы для радиаторного охлаждения любого типа.
Общие проблемы встраиваемых технологий охлаждения, которые ограничивают их широкое внедрение, включают их предполагаемую сложность и дороговизну, необходимость координации на высоком уровне между инженерами по электрическим схемам и теплотехниками, новые производственные процессы, риски надёжности, снижение производительности, ограниченную возможность повторной обработки и риски цепочки поставок. Эти проблемы — реальные или только предполагаемые — ограничили внедрение. Однако растёт консенсус в отношении того, что такие технологии находятся на важнейшем пути к повышению электрических характеристик процессоров для высоконагруженных вычислений.
