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Smart thermal management of high-power microprocessors using phase-change

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Concetti di computer freddi per l’era digitale

Per sostenere le alte velocità di calcolo e l’invio rapido dei dati sono necessari microprocessori freddi. Nuove strategie d’avanguardia, ispirate in parte all’umile frigorifero, potrebbero fornire la soluzione.

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Dallo smartphone nelle nostre tasche alle costellazioni di satelliti in orbita, l’insaziabile domanda dell’umanità di dati, forniti il più rapidamente possibile, è in continuo aumento. Questo comporta un’enorme pressione sui microprocessori, che devono eseguire molte funzioni di calcolo contemporaneamente. «Il microprocessore è il cuore dell’informatica», spiega il coordinatore del progetto ThermaSMART, Prashant Valluri dell’Università di Edimburgo nel Regno Unito. «Il loro funzionamento determina un consumo di energia molto elevato: quando si guarda un film sul portatile, ad esempio, possono diventare molto caldi.» Anche i centri di elaborazione dati, che possono ospitare diverse decine di microprocessori, possono raggiungere temperature elevate. Un malfunzionamento, o persino un incendio, potrebbe mettere a rischio informazioni finanziarie, sanitarie o governative sensibili.

Raffreddamento a transizione di fase per microprocessori

Da anni il settore è alle prese con il problema del calore generato dai microprocessori. Tradizionalmente si impiega l’aria per raffreddare i computer, che tuttavia non offre una grande efficacia. Il progetto ThermaSMART, finanziato dall’UE, ha esaminato il potenziale del cosiddetto raffreddamento a transizione di fase per evitare il surriscaldamento dei microprocessori. È proprio così che i frigoriferi mantengono il freddo. Più nello specifico, in questo modo: il refrigerante, che attraversa il frigorifero in serpentine, assorbe il calore quando è in forma liquida, allontanandolo dai contenuti del frigorifero. Riscaldandosi, evapora fino a diventare un gas, espellendo il calore tramite serpentine esterne, prima di raffreddarsi e tornare a essere un liquido. Il ciclo viene quindi ripetuto.

Microcanali per apparecchiature elettroniche

Valluri e il suo team volevano scoprire se questo processo di raffreddamento potesse essere applicato alle apparecchiature elettroniche. Questo lavoro si basa su un progetto precedente, chiamato THERMAPOWER, che ha fatto avanzare le conoscenze fondamentali dei fenomeni a transizione di fase. «In quest’ultimo progetto abbiamo analizzato gli aspetti scientifici fondamentali in materia di evaporazione, ebollizione e condensazione, nonché l’efficienza di diversi materiali e refrigeranti», afferma Valluri. «Abbiamo anche considerato gli aspetti ingegneristici, date le dimensioni estremamente contenute del microprocessore. Abbiamo quindi progettato dei minuscoli microcanali contenenti refrigerante che potessero stare in cima a un microprocessore.» Al centro di ThermaSMART, sostenuto dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, c’erano gli scambi di personale, che hanno coinvolto 21 università situate in cinque diversi continenti. «In questo modo siamo riusciti a migliorare le competenze di molti studenti», aggiunge Valluri. «Una delle parti migliori del progetto è stata la possibilità di inviare gli studenti a esperti di altri paesi, e questi scambi sono sempre stati complementari.» In effetti, uno dei risultati principali è stato un notevole elenco di documenti di ricerca sottoposti a revisione paritaria, che hanno esaminato numerosi aspetti del raffreddamento a transizione di fase.

Neurologia come area di applicazione

Un altro successo del progetto è stata l’individuazione di possibili nuove aree di applicazione. «È successo quasi per caso», osserva Valluri. «Stavo lavorando con il dipartimento del Centre for Clinical Brain Sciences qui a Edimburgo, che stava studiando come raffreddare il cervello.» In seguito a una grave lesione cerebrale, è spesso fondamentale raffreddare il cervello; il gonfiore può portare infatti allo sviluppo di ulteriori danni. Gli insegnamenti tratti dal progetto ThermaSMART sono stati utilizzati per studiare il raffreddamento a transizione di fase come possibile soluzione per gestire la temperatura cerebrale dei pazienti. Pur essendo interessati a esplorare tutte le strade possibili, Valluri e il suo team sono certi che il raffreddamento a transizione di fase giocherà sicuramente un ruolo fondamentale nel futuro dell’informatica. La sostituzione dei microprocessori è costosa e dannosa per l’ambiente; l’uso dell’aria come refrigerante è inefficiente e richiede molta energia. «Il prossimo passo sarà lo sviluppo e l’installazione di questi metodi di raffreddamento tramite chip a microcanali», spiega.

Parole chiave

ThermaSMART, digitale, calcolo, microprocessori, smartphone, dati, centri di elaborazione dati

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