Metallo liquido scansati, un nuovo materiale promette risultati migliori nel raffreddamento dei chip

Raffreddare i dispositivi elettronici, che si tratti di piccoli chip o potentissime GPU, rappresenta da sempre una necessità. Evitare che i chip smettano di funzionare a causa di temperature troppo elevate è un problema spinoso per i ricercatori di tutto il modo, per questo accanto all'industria dei semiconduttori si è sviluppata anche quella del raffreddamento.

Il raffreddamento, però, rappresenta anche un costo e per questo si continuano a studiare soluzioni che consentano ai chip di accrescere la loro potenza senza che necessitino di dissipatori complessi e costosi. Nell'era dell'IA, dove migliaia di GPU operano insieme per dare forma i modelli del futuro, è ancora più vero.

Alla Cockrell School of Engineering, parte dell'Università del Texas (Austin), hanno messo a punto una nuova tecnologia di raffreddamento che appare più efficace delle soluzioni correnti. Un team di scienziati e ingegneri ha creato un nuovo "Thermal Interface Material" (TIM), ovvero un materiale che fa da interfaccia termica tra il chip e un dispositivo di raffreddamento. Lo studio è stato pubblicato su Nature Nanotechnology.

Composto da una miscela di metallo liquido Galinstan e nitruro di alluminio ceramico, il nuovo materiale colloidale è in grado di condurre il calore molto meglio degli attuali materiali commerciali, persino dei metalli liquidi. Il Galinstan, una lega di gallio, indio e stagno, ha un punto di fusione di -19 °C, mentre il nitruro di alluminio ha una conduttività termica molto elevata, motivo per cui è contenuto anche in molte paste termiche. Il nitruro di alluminio viene macinato in particelle fini chiamate colloidi con un diametro di pochi micrometri.

Il raffreddamento rappresenta circa il 40% del consumo energetico dei datacenter, pari a 8 terawattora all'anno. I ricercatori stimano che la loro tecnologia potrebbe ridurre del 13% il fabbisogno di raffreddamento, o del 5% il consumo energetico complessivo dei datacenter: un risparmio significativo se applicato a tutto il settore. Inoltre, le migliori capacità di dissipazione del calore permettono di aumentare la potenza di calcolo.

Finora questo tipo di TIM ha sempre mostrato un divario tra quanto teoricamente dovrebbero essere in grado di raffreddare e il loro comportamento reale. Gli studiosi della Crockrell affermano di essere riusciti a colmare il gap. Il nuovo materiale "può rimuovere 2.760 watt di calore da una piccola area di 16 centimetri quadrati. Può ridurre del 65% l'energia necessaria alla pompa di raffreddamento, un pezzo importante del puzzle complessivo del raffreddamento dell'elettronica".

"Questa scoperta ci avvicina a ottenere le prestazioni ideali previste dalla teoria, consentendo soluzioni di raffreddamento più sostenibili per l'elettronica ad alta potenza", ha dichiarato Kai Wu, autore principale dello studio. "Il nostro materiale può consentire un raffreddamento sostenibile in applicazioni ad alta intensità energetica, dai datacenter all'aerospaziale, aprendo la strada a tecnologie più efficienti ed ecologiche".

I ricercatori hanno creato il nuovo materiale di raffreddamento utilizzando uno speciale processo chiamato meccanochimica. Questo processo consente al metallo liquido e al nitruro di alluminio di mescolarsi in modo molto controllato per creare interfacce a gradiente, facilitando il passaggio del calore, ma anche la cosiddetta tissotropia del materiale. Ciò descrive un cambiamento nella viscosità di un materiale dovuto allo stress meccanico. I colloidi nel nuovo composto dovrebbero muoversi meglio anche sotto pressione ed essere in grado di compensare le irregolarità.

Rispetto alle paste termiche convenzionali, i ricercatori hanno ottenuto resistenze al trasferimento di calore di 10 volte inferiori. Lo studio ha confrontato il nuovo materiale con tre metalli liquidi disponibili in commercio di Thermalright, Thermal Grizzly e Coollaboratory, usati comunemente degli overclocker. A seconda delle dimensioni del colloide, il materiale dei ricercatori ha raggiunto resistenze al trasferimento di calore inferiori tra il 56 e il 72% rispetto al miglior metallo liquido odierno.

Adesso è necessario passare dal laboratorio all'applicazione reale. I ricercatori hanno testato il materiale su piccoli dispositivi, ma il passo successivo è scalare la sintesi del materiale per ottenere campioni da testare con le realtà del segmento datacenter.