Особый рисунок напряжения сократил потери энергии в виде тепла более чем на 60 процентов

Физики из лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета разработали новый способ измерять, куда именно уходит энергия в электронных устройствах, — и с его помощью подобрали форму управляющего сигнала, которая сокращает бесполезные тепловые потери более чем на 60%. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Проблема: тепло как вечный «налог» электроники

Почти вся энергия, поступающая в вычислительные устройства, в конечном счёте рассеивается в виде тепла. По мере роста числа и мощности центров обработки данных это рассеяние превратилось в серьёзную технологическую и экономическую проблему. Исследователи ищут способы увеличить долю энергии, которая совершает полезную работу.

Одно из препятствий — отсутствие надёжных методов измерения теплового рассеяния на малых масштабах. Даже в персональных компьютерах миллиарды транзисторов, и отследить, где и как именно «утекает» энергия, крайне трудно.

Жидкие кристаллы как модельная система

Команда под руководством профессора Стэнфорда Аарона Линдерберга создала модельную систему на основе жидких кристаллов — органических молекул, которые поворачиваются в ответ на приложенное напряжение. Именно по этому принципу работают дисплеи во многих устройствах.

Используя поляризационный оптический микроскоп, исследователи наблюдали, как молекулы жидкого кристалла вращаются при нарастании и спаде напряжения. Из этих наблюдений авторы извлекли количественную меру диссипации энергии с высокой точностью — фактически «карту» того, как именно теряется мощность в системе.

Ключевые результаты:

• Разработан метод прецизионного измерения теплового рассеяния в электрических системах на основе оптической диагностики жидких кристаллов.
• Форма («рисунок») подаваемого напряжения оказывает существенное влияние на количество выделяемого тепла.
• Оптимизированный временной профиль напряжения сократил тепловые потери в модельной системе более чем на 60% по сравнению с исходным вариантом.
• Эффект обусловлен тем, что особая форма сигнала позволяет молекулам поворачиваться с меньшим «трением», не создавая лишнего рассеяния.

Принцип, а не готовая технология

Авторы подчёркивают: описанные результаты получены на модельной системе из жидких кристаллов и демонстрируют физический принцип, а не готовую технологию для конкретного класса процессоров или устройств. Жидкие кристаллы использовались как удобный наглядный объект — из-за их чувствительности к напряжению и возможности наблюдать молекулярные перестройки в оптическом микроскопе.

Читайте также по теме: управлении теплопроводностью керамики электрическим полем.

Тем не менее найденная закономерность — что форма сигнала управления влияет на тепловые потери в переключательных элементах — потенциально применима к более широкому классу электронных компонентов. Если принцип удастся перенести на реальные устройства, это откроет новые возможности для проектирования энергоэффективных вычислительных систем.