تكتسب الثورة في أنظمة التبريد للأجهزة الإلكترونية زخمًا بفضل مختبرات xMEMS وابتكارها: مروحة التبريد µCooling على الشريحة. تُحدث هذه التقنية ضجةً كبيرةً في عالم الإلكترونيات الاستهلاكية، ومراكز البيانات المُزودة بالذكاء الاصطناعي، والأجهزة فائقة الصغر. إذا تساءلتَ يومًا عن كيفية تبريد هاتف محمول أو قرص SSD دون استخدام مراوح تقليدية، فستُطلعك هذه المقالة على كل ما يتعلق بمقترح مختبرات xMEMS.
سنستكشف كيف تعمل قطعة صغيرة من السيليكون على تغيير نموذج الإدارة الحرارية في عصر التصغير والذكاء الاصطناعي. من أصولها في صناعة الصوت إلى تكييفها كنظام تبريد نشط للأجهزة حيث المساحة والكفاءة هما كل شيء، تعد تقنية المروحة على الشريحة بحلول حيث لم يكن هناك في السابق سوى التبريد السلبي - ومشاكل ارتفاع درجة الحرارة. كن مستريحالأننا هنا نخبرك بكل شيء بطريقة بسيطة ودقيقة.
ما هو xMEMS Labs وما هو µCooling fan-on-a-chip؟
xMEMS Labs هي شركة كاليفورنية تأسست في عام 2018 وتتخصص في تصميم حلول السيليكون القائمة على تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة). ركزت محاولاتهم الأولى في السوق على مكبرات الصوت الدقيقة لسماعات الرأس، إلا أنهم حققوا قفزة إلى الأمام مع تطوير التبريد النشط على مستوى الشريحة.
مروحة التبريد µCooling الموجودة على الشريحة هي في الأساس مروحة مجهرية مدمجة بالكامل في شريحة السيليكون. يستفيد هذا النظام من الخصائص الكهروضغطية للمواد المستخدمة (ومن هنا جاءت تقنية "piezoMEMS") لإنتاج الحركة، وبالتالي إزاحة الهواء. واللافت للنظر أن سُمك هذا النظام بأكمله لا يتجاوز مليمترًا واحدًا، وأبعاده 1 × 9,26 × 7,6 ملم، ووزنه أقل من 1,08 ملغ، مما يجعله مثاليًا للأجهزة التي يكون فيها كل مليمتر مهمًا.
هذا هو التقدم يكسر الحاجز التقليدي للتبريد السلبي، وهو المورد الوحيد القابل للتطبيق حتى الآن في الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة فائقة النحافة، وأقراص SSD عالية الكثافة. بفضل حجم صغير وغياب الأجزاء المتحركة التقليدية، من الممكن تركيبه في أماكن لم يكن من الممكن تصورها من قبل، مما يوفر تدفقات هواء موضعية في المكان الذي تشتد الحاجة إليها ويقلل بشكل كبير من خطر ارتفاع درجة الحرارة.
الميزات والمزايا التقنية الرئيسية لمروحة التبريد µCooling على شريحة AA
إن مواصفات µCooling من شركة xMEMS Labs مذهلة، حيث تسلط الضوء على كفاءتها وموثوقيتها وتوافقها مع التصغير الشديد. تتضمن بعض الميزات والفوائد الأكثر أهمية لهذه التكنولوجيا ما يلي:
- أبعاد ووزن فائق الانخفاض: يبلغ سمكه 1 مم فقط ويقل وزنه عن 150 ملجم، 96٪ أقل من البدائل النشطة الأخرى غير المعتمدة على السيليكون.
- سعة الهواء: تستطيع شريحة واحدة نقل ما يصل إلى 39 سم³ من الهواء في الثانية، مما يؤدي إلى توليد ضغط يصل إلى 1.000 باسكال - وهو ضغط كافٍ لتبديد الحرارة في مساحات صغيرة للغاية.
- الموثوقية والمتانة: نظرًا لأنه مكون صلب تمامًا، بدون الشفرات أو الأعمدة النموذجية التي تتآكل، فإن المتانة مضمونة ولا تتطلب أي صيانة تقريبًا.
- عملية صامتة: يعمل في نطاق الموجات فوق الصوتية، لذلك فهو لا يصدر ضوضاء يمكن للأذن البشرية إدراكها.
- التوافق والتنوع: يمكن تثبيته في أوضاع مختلفة (جانبي، علوي) على لوحات الدوائر المطبوعة أو الرقائق، كما يسمح حجمه بدمجه في مجموعة واسعة من الأجهزة.
- حماية IP58: تتمتع الشريحة بحماية ضد الغبار والرطوبة، مما يجعلها مناسبة للبيئات القاسية.
هذا المزيج يجعل µCooling له قيمة خاصة في التطبيقات حيث لا يتناسب التبريد النشط التقليدي ببساطة أو غير ممكن بسبب الضوضاء أو الاهتزاز أو مشكلات الصيانة.
كيف تعمل تقنية piezoMEMS عند تطبيقها على البرد؟
تعمل الشريحة كنوع من مضخة الهواء الصغيرة التي يتم التحكم فيها إلكترونيًابتغيير الجهد المطبق، تدفع محركات MEMS الدقيقة الهواء بسرعات دقيقة، مما يسمح لها بتبريد الرقائق أو المستشعرات أو الوحدات البصرية عالية الأداء، مباشرةً عند النقطة الساخنة التي تُولّد فيها الحرارة الزائدة. هذا التحكم دقيق للغاية، بحيث يمكن للمهندسين تحديد ما إذا كانوا سيستخدمون التدفق لاستخراج الحرارة أو لتهوية المكونات المجاورة.
ومن بين المزايا الثورية أنه ليس من الضروري وضع المروحة فوق وحدة المعالجة المركزية أو المكون الرئيسييمكن للنظام العمل على مناطق مختلفة من الجهاز، مما يعمل على تحسين توزيع الحرارة ومنع تراكم الحرارة الخطير، وهو أمر حيوي في الوحدات البصرية لمراكز البيانات أو في تطورات الذكاء الاصطناعي الجديدة.
أين يتم استخدام مروحة التبريد µCooling الموجودة على الشريحة من شركة xMEMS Labs؟
يتوسع نطاق تطبيقات xMEMS Labs µCooling بسرعة. تم تصميم هذه التقنية في الأصل للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، ولكن إمكاناتها قفزت إلى مراكز البيانات وأجهزة الذكاء الاصطناعي، حيث تكون كثافة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية..
في حالة مراكز البيانات للذكاء الاصطناعيتواجه وحدات البصريات عالية السرعة وأقراص SSD قيودًا حرارية متزايدة الصرامة، ويمكن لتقنية المروحة على الشريحة خفض درجات حرارة معالج الإشارة الرقمية (DSP) بنحو 15%. وهذا يُترجم إلى سلسلة من الفوائد: تقليل مخاطر الأخطاء، وسرعات تشغيل أعلى ومستدامة، وإطالة عمر الأجهزة.
تُشكّل إدارة الحرارة تحديًا كبيرًا نظرًا لقوة المعالجات وشرائح الرسومات الحديثة، خاصةً مع ظهور تطبيقات الذكاء الاصطناعي والمهام عالية الطلب. حتى الآن، لم تعتمد هذه الأجهزة إلا على حلول سلبية، مثل الأنابيب الحرارية أو غرف البخار، والتي أثبتت عدم كفايتها في سيناريوهات الاستخدام المكثف. وهنا يكمن الفارق في تقنية µCooling.
وتشمل القطاعات الأخرى التي بدأت تظهر فيها التكنولوجيا الجديدة السيارات الذكية (الترفيه داخل المقصورة، وكاميرات المساعدة، وما إلى ذلك)، وأنظمة الواقع المعزز/الافتراضي، وأي بيئة حيث يتم تمديد الرقائق إلى أقصى حد وتكون المساحة ثمينة.
مقارنة مع تقنيات التبريد الدقيقة الأخرى
لقد ألهم نجاح µCooling شركات أخرى للتحقيق في أنظمة التبريد المدمجة، ولكن نهج xMEMS فريد من نوعه بعدة طرق.
على سبيل المثال تقوم شركة Frore Systems بتطوير رقائق التبريد الاهتزازية الكهرضغطية منذ عام 2022. أظهرت محركات الأقراص الصلبة (مثل AirJet Mini Slim)، التي تستغني أيضًا عن الأجزاء المتحركة التقليدية، نتائج مثيرة للاهتمام من خلال مضاعفة أداء بعض محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD). ومع ذلك، يتميز حل xMEMS بحجمه الأصغر وتكامله الحصري مع السيليكون، مما يُسهّل الإنتاج الضخم والموثوقية على المستوى الصناعي.
وفي نهج مختلف آخر، تراهن شركة فينتيفيا على التبريد الأيوني، باستخدام المجالات الكهربائية لتحريك الهواء.على الرغم من أن هذا البديل واعد، إلا أن حقيقة افتقاره إلى عناصر قوية تمامًا أو عدم إثباته جيدًا في صناعة الإلكترونيات يضعه في مرحلة تجريبية أكثر مقارنة بتقدم xMEMS.
وبالتالي يقدم اقتراح xMEMS مزايا واضحة من حيث الحجم والتشغيل الهادئ والمتانة وسهولة التكامل. في أنظمة تصنيع الرقائق الحديثة.
التأثير على السوق والسياق الحالي
من القطاع الصناعي إلى المستهلك النهائي، ويتمثل الاتجاه في تصنيع أجهزة أصغر حجماً وأكثر قوة قادرة على إدارة أحمال العمل الذكية.المشكلة هي أن الحرارة المتولدة تزداد بنفس المعدل، والحلول التقليدية لم تعد كافية. إذا لاحظتَ يومًا ارتفاع درجة حرارة هاتفك بشكل كبير أثناء اللعب أو استخدام الذكاء الاصطناعي، فأنتَ تعرف تمامًا ما نتحدث عنه.
على حد تعبير الرئيس التنفيذي لشركة xMEMS جوزيف جيانج نفسه، تأتي المروحة على الشريحة في الوقت المثالييريد المصنعون هواتف محمولة وأجهزة كمبيوتر أنحف وأقواها على الإطلاق، مما يجعل الإدارة الحرارية واحدة من العوائق الرئيسية أمام الاستمرار في الابتكار في التصميم والأداء.
لقد كان الاستقبال في الصناعة إيجابيا للغاية. وقد أبرمت شركة XMEMS بالفعل اتفاقيات لدمج µCooling في المنتجات التجارية الجديدة بدءًا من عام 2025.بعد نجاح مكبرات الصوت الصغيرة (بيع أكثر من نصف مليون وحدة بحلول عام ٢٠٢٤). علاوةً على ذلك، استطاعت الشركة تأمين سلسلة توريد متينة مع العديد من شركاء تصنيع الرقائق، مما يضمن قابلية التوسع والموثوقية لكميات كبيرة.
تشغيل هادئ وخالي من الاهتزازات
أحد الجوانب الأكثر ابتكارًا وقيمة في µCooling هو تشغيله صامت تماماعند العمل على نطاق الموجات فوق الصوتية، يكون الضجيج الذي يُصدره غير محسوس للأذن البشرية. علاوة على ذلك، نظرًا لعدم وجود شفرات أو تروس تقليدية، لا ينتج اهتزازات يمكن أن تؤثر على دقة أجهزة الاستشعار أو راحة المستخدمين على الأجهزة المحمولة..
وهذا مهم بشكل خاص في السيناريوهات التي يكون فيها الصمت وغياب الاهتزازات الدقيقة أمرًا ضروريًا، مثل أجهزة الصوت عالية الدقة، أو المعدات الطبية المحمولة، أو الأجهزة القابلة للارتداء، أو أنظمة السيارات المضمنة.
يستمتع المستخدم النهائي بأجهزة أكثر برودة، مع قيود أداء أقل وبدون عيوب المراوح التقليدية.، مثل الضوضاء أو التآكل الميكانيكي المحتمل بعد فترة قصيرة من الاستخدام المكثف.
المزايا مقارنة بالتبريد السلبي التقليدي
حتى تطوير µCooling، أُجبرت جميع الأجهزة فائقة النحافة على استخدام أنظمة سلبية لتبديد الحرارة: غرف البخار، وأنابيب الحرارة، ومبددات الحرارة المصغرة... ولكن لا يوجد أي من هذه الخيارات يولد تدفق الهواء، بل إنها تنقل الحرارة فقط، وبالتالي ينخفض الأداء بسرعة عند الوصول إلى درجات حرارة معينة.
هذا أجبر المصنعين على خنق أو الحد من سرعة المعالجات والرقائق في ظروف الحرارة الشديدة، مما يُفسد تجربة المستخدم في التطبيقات المُتطلبة أو ألعاب الفيديو الحديثة. يسمح وصول تقنية µCooling الحفاظ على أقصى سرعة للمكون لفترة أطول، مما يقلل من الأخطاء ويطيل العمر الإنتاجي دون التضحية بالتصميم أو النحافة.
بالنسبة للمستخدمين، هذا يترجم إلى أجهزة محمولة وأجهزة كمبيوتر محمولة وأقراص SSD أكثر قوة وموثوقية وهدوءًا، دون التضحية بالتصميم فائق النحافة أن المستهلكين يطلبون الكثير.
