Кибернетика и теплофизика. Казалось бы, это две разные области знаний. Однако на практике, как выясняется, между ними есть точка соприкосновения. А именно – современные электронно-вычислительные машины, где без специалистов по теплофизике дело не обошлось.
Наверное, наши ученые, занимаясь вопросами теплообмена, причем в те годы, когда кибернетику официально объявляли «лженаукой», и не подозревали, что закладывают теоретический фундамент для решения тех задач, что стоят перед разработчиками компьютеров. Невероятно, но это именно так! Вопросы теплофизики коснулись не только энергетических систем, но и вычислительной техники. Мало того, именно сейчас от специалистов по вопросам теплообмена зависит, по сути дела, дальнейшее совершенствование «числогрызов».
Можно удивиться, но в микроэлектронике мы сталкиваемся с такими же процессами интенсивного выделения тепла, как это, например, происходит при работе ракетного двигателя! Компьютерные процессоры обладают очень высокой теплоотдачей. И чем мощнее компьютер, тем, соответственно, теплоотдача выше. Перед учеными и разработчиками, таким образом, встает проблема эффективного отвода этих интенсивных потоков тепла. В противном случае процессор «накроется» от перегрева. Причем, чем миниатюрнее становится техника, тем сложнее становится задача. Одно дело, когда вы конструируете огромный «шкаф» весом в тонну, другое дело – компактное устройство. Тенденция к миниатюризации, к снижению веса технических устройств – это, как мы знаем, есть черта прогресса.
Шутка ли – в настоящее время создаются чипы, в которых плотность теплового потока достигает одного киловатта на квадратный сантиметр! Это соответствует максимальной мощности кухонной плиты или «навороченного» электрочайника. И такое тепло, отметим, выделяется в маленьком компьютере с одного квадратного сантиметра.
Подобные электронные устройства, надо сказать, уже работают. И именно проблема охлаждения является здесь главной проблемой, сдерживающей в настоящее время развитие микроэлектроники. Поэтому не будет преувеличением сказать, что будущее таких систем зависит сейчас не от электронных инженеров, а от инженеров-теплофизиков. Сумеют они решить эффективно эту задачу – электроника будет развиваться и дальше.
Над этой задачей сейчас работают специалисты лаборатории интенсификации процессов теплообмена в Институте теплофизики СО РАН. Как мы уже об этом писали ранее, эта лаборатория была создана в середине 1980-х, когда советское правительство пыталось дать свой ответ американской программе «звездных войн». Для реализации программы требовался мощный компьютер, где, естественно, проблема охлаждения была одной из самых важных. Советскому Союзу, понятное дело, потребовался точно такой же «числогрыз». А для его создания потребовалось напрячь не только электронщиков, но и теплофизиков.
Примечательно, что в Институте теплофизики к тому времени уже фактически сформировалась своя школа для исследования так называемых процессов с фазовыми переходами (самый простой пример – это процесс кипения и испарения, когда происходит перенос большой массы тепла). Основоположником здесь был сам Самсон Кутателадзе, занимавшийся подобными исследованиями еще с 1930-х годов. Можно сказать, что в Советском Союзе он был первым, кто проводил такую научную работу. Именно Кутателадзе предложил критерии, определяющие соотношение процессов с фазовым переходом и теплопроводностью. Его вклад в развитие данных тем получил международное признание.
Один из таких процессов – это процесс испарения тонких пленок жидкостей. На сегодняшний день данные исследования как никогда актуальны для развития техники, в том числе – для микроэлектроники. Как объяснил заведующий лабораторией интенсификации процессов теплообмена Олег Кабов, «постепенно все известные технологии – где это только можно будет сделать – будут переходить от процессов кипения в объеме к пленочным течениям. Потому что пленочные течения, при очень небольшой массе компонента создают огромную поверхность. И с этой поверхности происходит массовая отдача тепла».
В качестве простейшего примера Олег Кабов приводит сахарное производство. Когда-то, еще лет сто назад, сахарный раствор кипел в больших баках и там же остывал. Теперь его охлаждают, создавая тонкую пленку стекающей жидкости.
Если обратиться к электронике, то бак с охлаждающей жидкостью был когда-то привычным конструктивным элементом для первых суперкомпьютеров, применявшихся в военных целях. Сейчас ученые ищут более эффективные подходы к охлаждению процессоров, где как раз процессы испарения тонких пленок жидкости будут играть решающую роль. Правда у тонких пленок есть один существенный изъян – они подвержены разрывам. И если происходит разрыв, то, разумеется, меняется теплоотдача, меняется качество продукта. И эта проблема – проблема разрыва – до сих пор еще не решена. Занимаются ей сейчас ученые во многих странах. В том числе – и в Институте теплофизики.
Нельзя сказать, что этой задачей раньше никто не занимался. Просто здесь есть свои сложности, для решения которых необходим серьезный фундаментальный задел. По сути дела такая работа обещает не только прорывы в области технологий, но и прорывы в области научных знаний. Исследуемые процессы зависят от многих факторов, причем происходят они на нано- и микроуровнях, для чего, в частности, необходимо применять методы молекулярной динамики. Здесь неизбежно возникают трудности как для теоретического анализа, так и для экспериментального.
С этими трудностями сегодня приходится справляться специалистам лаборатории интенсификации процессов теплообмена. Для решения указанных задач применяются соответствующие экспериментальные установки, которые, наверное, не снились их коллегам еще лет двадцать назад. Уровню решаемых задач точно соответствует уровень нового оборудования. И надо сказать, лаборатория имеет достаточно серьезное техническое оснащение, позволяющее нашим ученым, по крайней мере, идти нога в ногу со своими зарубежными коллегами.
Проблема в другом – наше государство теперь не особенно рвется давать ответы на вызовы со стороны своих зарубежных конкурентов. Во всяком случае, на практике. Ученые, по сути дела, осуществляют свою работу на чистом энтузиазме. Задачи от «партии и правительства» на разработку нового суперкомпьютера еще не поступало (вместе с адекватным финансированием, разумеется). Поэтому совершенно не известно, заинтересует ли кого-нибудь в руководстве страны результат их работы.
Олег Носков
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии