Energy efficient active cooling in advanced microelectronic systems

Resumen

Les solucions actuals de refrigeració en circuits integrats en 3D (3D-IC) no proporcionen sistemes capaços d'adaptar el seu comportament a condicions variables en el temps i l'espai, fet que comporta un sobre refredament quan la demanda de fred és baixa. Això implica caigudes de pressió addicionals al canal del fluid i per tant, potències de bombeig sobredimensionades per condicions variables. A més, en els treballs existents, la uniformitat de temperatura sobre la superfície del xip només està optimitzada per una distribució de càrrega de calor determinada i no pot adaptar-se a escenaris de càrregues de calor variables en el temps i l’espai. Per abordar aquests problemes, aquesta tesi proposa un sistema basat en aletes auto-adaptatives que actuen com a actuadors tèrmics passius. El principi d’expansió tèrmica dels materials és el responsable del comportament intel·ligent d’aquestes aletes, que s’activaran, sense cap excitació externa, en funció de la seva pròpia temperatura. Les capacitats, ja demostrades, d’elements pertorbadors del flux dins de microcanals, s’utilitzen només quan la demanda de refrigeració és alta; en cas contrari, les aletes romanen en posició plana, reduint així la caiguda de pressió dins del dispositiu de refredament. Amb aquesta solució, el sistema és capaç d’adaptar la seva geometria interna a distribucions de flux de calor temporals i no uniformes, optimitzant la millora de la transferència de calor i la caiguda de pressió a les necessitats de refrigeració instantànies. Així, és redueix la potència de bombeig necessària, fent el sistema de refrigeració més eficient energèticament. Dins d’aquest treball, s’ha avaluat el principi de treball, el disseny i la validació de les aletes auto-adaptatives per aconseguir el comportament desitjat d’adaptabilitat utilitzant la dilatació tèrmica dels materials. S'ha avaluat l’increment de la transferència de calor convectiva a causa de la presència d’aquest tipus d’elements pertorbadors del flux dins del canal fluid, definint un increment del 10% en comparació amb un canal buit. A més, s'ha observat un gradient tèrmic superficial més uniforme, experimentalment i numèricament, a causa de la presència d'aletes auto-adaptatives quan el dispositiu de refrigeració està sotmès a fluxos de calor no uniformes. Finalment, s’estima una reducció del 10% de la potència de bombeig degut al concepte d’auto-adaptació, comparat amb un sistema de refredament basat en elements pertorbadors del flux fixos. Las soluciones de refrigeración actuales en circuitos integrados 3D (3D-IC) no proporcionan sistemas capaces de adaptar su comportamiento a las cambiantes condiciones de calor en el tiempo y el espacio. Este hecho conduce a un enfriamiento excesivo cuando las demandas de refrigeración son bajas y, por lo tanto, se inducen caídas de presión adicionales en el canal de fluido y se obtienen potencias de bombeo sobredimensionadas para condiciones cambiantes. Además, en las obras existentes, la uniformidad de la temperatura de la superficie del chip solo se optimiza para una distribución de carga térmica dada y no se puede adaptar a los escenarios de carga térmica variable en el tiempo y el espacio. Para superar estos problemas, esta tesis propone un sistema basado en aletas auto-adaptativas que actúan como actuadores térmicos pasivos. El principio de expansión térmica de los materiales es el responsable del comportamiento inteligente de estas aletas, que se activarán, sin ninguna excitación externa, en función de su propia temperatura. Las capacidades demostradas de los elementos que perturban el flujo dentro de los microcanales se usan solo para altas demandas de enfriamiento; de lo contrario, las aletas permanecerán en posición plana, reduciendo la caída de presión dentro del dispositivo de enfriamiento. Con esta solución, el sistema podrá adaptar su geometría interna a distribuciones de flujo de calor dependientes y no uniformes de tiempo, optimizando la mejora de la transferencia de calor local y la caída de presión a la necesidad de enfriamiento instantáneo y, por lo tanto, reduciendo la potencia de bombeo necesaria para una Sistema de refrigeración más eficiente energéticamente. Dentro de este trabajo, se ha evaluado el principio de trabajo, diseño y validación de las aletas auto-adaptativas para alcanzar el comportamiento deseado de auto-adaptación mediante el uso de la expansión térmica de los materiales. Se ha evaluado el incremento de la transferencia de calor por convección debido a la presencia de este tipo de elementos perturbadores del flujo dentro del canal, que definen una mejora del 10% en comparación con un canal plano. Además, se ha observado un gradiente térmico superficial más uniforme, experimental y numéricamente, debido a la presencia de aletas auto-adaptativas cuando el dispositivo de enfriamiento se somete a flujos de calor no uniformes. Finalmente, se estima una reducción del 10% en la potencia de bombeo debido al concepto de auto-adaptación, en comparación con un sistema de enfriamiento de elementos perturbadores de flujo fijo. Actual cooling solutions of 3D integrated circuits (3D-IC) do not provide systems able to adapt their behavior to changing boundary conditions in time and space, what leads to overcooling when refrigerating demands are low. That implies additional pressure drops in the fluid channel and so, oversized pumping powers for changing conditions. Also, in the existing works, the surface temperature uniformity of the chip is only optimized for a given heat load distribution and cannot be adapted to variable heat load scenarios in time and space. To overcome these problems, this thesis proposes a system based on self-adaptive fins acting as passive thermal actuators. The principle of thermal expansion of the materials is the responsible for the smart behavior of these fins, which will be activated, without any external excitation, in function of their own temperature. The demonstrated capabilities of flow disturbing elements inside microchannels are used only for high cooling demands; otherwise, the fins will remain in flat position, reducing the pressure drop inside the cooling device. With this solution, the system will be able to tailor its internal geometry to time dependent and non-uniform heat flux distributions, optimizing the local heat transfer enhancement and the pressure drop to the instantaneous cooling need and thus, reducing the needed pumping power for a more energy efficient cooling system. Within this work, the working principle, design and validation of the self-adaptive fins to reach the desired behavior of self-adaptation by using the thermal expansion of the materials have been evaluated. The increment of the convective heat transfer due to the presence of this type of flow disturbing elements inside the fluidic channel has been assessed, defining a 10 % enhancement compared with a plain channel. Also, a more uniform surface thermal gradient has been observed, experimentally and numerically, due to the presence of self-adaptive fins when the cooling device is submitted to non-uniform heat fluxes. Finally, a reduction of 10 % in pumping power is estimated due to the self-adaptation concept, compared with a cooling system of fixed flow disturbing elements.