Refrigerators
A. Refrigerators are the epitome of clunky technology: solid, reliable and just a little bit dull. They have not changed much over the past century, but then they have not needed to. They are based on a robust and effective idea — draw heat from the thing you want to cool by evaporating a liquid next to it, and then dump that heat by pumping the vapour elsewhere and condensing it. This method of pumping heat from one place to another served mankind well when refrigerators’ main jobs were preserving food and, as air conditioners, cooling buildings. Today’s high‑tech world, however, demands high‑tech refrigeration. Heat pumps are no longer up to the job. The search is on for something to replace them.
Tủ lạnh là hiện thân của một công nghệ có phần “thô kệch”: chắc chắn, đáng tin cậy và hơi tẻ nhạt. Chúng hầu như không thay đổi nhiều trong thế kỷ qua, và thực ra cũng không cần phải thay đổi. Chúng dựa trên một ý tưởng vững chắc và hiệu quả — rút nhiệt khỏi vật cần làm mát bằng cách làm bay hơi một chất lỏng ngay cạnh nó, rồi thải nhiệt đó đi bằng cách bơm hơi tới nơi khác và ngưng tụ lại. Cách “bơm” nhiệt từ nơi này sang nơi khác này đã phục vụ con người rất tốt khi công việc chính của tủ lạnh là bảo quản thực phẩm và — dưới dạng máy điều hòa — làm mát các tòa nhà. Tuy nhiên, thế giới công nghệ cao ngày nay đòi hỏi những phương án làm lạnh cũng phải công nghệ cao. Các bơm nhiệt không còn đáp ứng được yêu cầu. Cuộc tìm kiếm một giải pháp thay thế đang được tiến hành.
B. One set of candidates are known as paraelectric materials. These act like batteries when they undergo a temperature change: attach electrodes to them and they generate a current. This effect is used in infra‑red cameras. An array of tiny pieces of paraelectric material can sense the heat radiated by, for example, a person, and the pattern of the array’s electrical outputs can then be used to construct an image. But until recently no one had bothered much with the inverse of this process. That inverse exists, however. Apply an appropriate current to a paraelectric material and it will cool down.
Một nhóm ứng viên được gọi là các vật liệu điện môi tham (paraelectric). Chúng hoạt động như pin khi trải qua biến đổi nhiệt độ: gắn điện cực vào và chúng tạo ra dòng điện. Hiệu ứng này được dùng trong các camera hồng ngoại. Một mảng những miếng paraelectric tí hon có thể “cảm” nhiệt do, chẳng hạn, một người phát ra, và mẫu tín hiệu điện của mảng đó sẽ được dùng để dựng nên hình ảnh. Nhưng cho đến gần đây, hầu như chẳng ai quan tâm nhiều tới quá trình nghịch đảo của hiện tượng này. Dù nghịch đảo đó tồn tại: cấp một dòng điện thích hợp vào vật liệu paraelectric thì nó sẽ lạnh đi.
C. Someone who is looking at this inverse effect is Alex Mischenko, of Cambridge University. Using commercially available paraelectric film, he and his colleagues have generated temperature drops five times bigger than any previously recorded. That may be enough to change the phenomenon from a laboratory curiosity to something with commercial applications.
Người đang nghiên cứu “hiệu ứng nghịch” này là Alex Mischenko (Đại học Cambridge). Dùng màng paraelectric sẵn có trên thị trường, ông và cộng sự đã tạo ra mức giảm nhiệt độ lớn gấp năm lần mọi kỷ lục trước đây. Có lẽ từng đó là đủ để biến hiện tượng này từ một điều thú vị trong phòng thí nghiệm thành thứ có tiềm năng thương mại.
D. As to what those applications might be, Dr Mischenko is still a little hazy. He has, nevertheless, set up a company to pursue them. He foresees putting his discovery to use in more efficient domestic fridges and air conditioners. The real money, though, may be in cooling computers.
Ứng dụng cụ thể là gì thì tiến sĩ Mischenko vẫn còn hơi mơ hồ. Dẫu vậy, ông đã lập công ty để theo đuổi chúng. Ông hình dung phát hiện của mình có thể được dùng cho tủ lạnh gia dụng và máy điều hòa hiệu quả hơn. Nhưng “miếng bánh” lớn có lẽ lại nằm ở lĩnh vực làm mát máy tính.
E. Gadgets containing microprocessors have been getting hotter for a long time. One consequence of Moore’s Law, which describes the doubling of the number of transistors on a chip every 18 months, is that the amount of heat produced doubles as well. In fact, it more than doubles, because besides increasing in number, the components are getting faster. Heat is released every time a logical operation is performed inside a microprocessor, so the faster the processor is, the more heat it generates. Doubling the frequency quadruples the heat output. And the frequency has doubled a lot. The first Pentium chips sold by Dr Moore’s company, Intel, in 1993, ran at 60 million cycles a second. The Pentium 4 — the last “single‑core” desktop processor — clocked up 3.2 billion cycles a second.
Các thiết bị chứa vi xử lý đã nóng lên trong suốt một thời gian dài. Một hệ quả của Định luật Moore — mô tả việc số lượng transistor trên một con chip tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng — là lượng nhiệt sinh ra cũng tăng gấp đôi. Thực tế còn hơn thế, bởi ngoài việc tăng về số lượng, các linh kiện còn chạy nhanh hơn. Mỗi lần thực hiện một phép toán logic bên trong vi xử lý đều tỏa nhiệt, nên bộ xử lý càng nhanh thì sinh nhiệt càng nhiều. Tăng gấp đôi tần số sẽ làm tăng gấp bốn công suất nhiệt. Và tần số đã tăng rất nhiều: những con chip Pentium đầu tiên mà công ty của ông Moore (Intel) bán năm 1993 chạy ở mức 60 triệu chu kỳ/giây. Pentium 4 — bộ xử lý máy bàn “lõi đơn” cuối cùng — đạt tới 3,2 tỷ chu kỳ/giây.
F. Disposing of this heat is a big obstruction to further miniaturisation and higher speeds. The innards of a desktop computer commonly hit 80 ℃. At 85 ℃, they stop working. Tweaking the processor’s heat sinks (copper or aluminium boxes designed to radiate heat away) has reached its limit. So has tweaking the fans that circulate air over those heat sinks. And the idea of shifting from single‑core processors to systems that divided processing power between first two, and then four, subunits, in order to spread the thermal load, also seems to have the end of the road in sight.
Việc thải nhiệt này là rào cản lớn đối với thu nhỏ tiếp nữa và tăng tốc độ. Bên trong máy tính để bàn thường chạm 80 ℃; ở 85 ℃ thì dừng hoạt động. Việc tinh chỉnh các bộ tản nhiệt (khối đồng hoặc nhôm để tỏa nhiệt) đã tới giới hạn. Việc tinh chỉnh các quạt thổi qua bộ tản nhiệt cũng vậy. Và ý tưởng chuyển từ bộ xử lý lõi đơn sang các hệ thống chia công suất xử lý cho hai rồi bốn lõi nhằm phân tán tải nhiệt cũng dường như sắp chạm trần.
G. One way out of this may be a second curious physical phenomenon, the thermoelectric effect. Like paraelectric materials, this generates electricity from a heat source and produces cooling from an electrical source. Unlike paraelectrics, a significant body of researchers is already working on it.
Một lối thoát có thể đến từ một hiện tượng vật lý kỳ lạ khác: hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectric). Tương tự vật liệu paraelectric, nó tạo điện từ nguồn nhiệt và tạo làm mát khi cấp điện. Khác với paraelectric, đã có một cộng đồng nghiên cứu lớn làm việc về nó.
H. The trick to a good thermoelectric material is a crystal structure in which electrons can flow freely, but the path of phonons — heat‑carrying vibrations that are larger than electrons — is constantly interrupted. In practice, this trick is hard to pull off, and thermoelectric materials are thus less efficient than paraelectric ones (or, at least, than those examined by Dr Mischenko). Nevertheless, Rama Venkatasubramanian, of Nextreme Thermal Solutions in North Carolina, claims to have made thermoelectric refrigerators that can sit on the back of computer chips and cool hotspots by 10 ℃. Ali Shakouri, of the University of California, Santa Cruz, says his are even smaller — so small that they can go inside the chip.
Mấu chốt để có vật liệu nhiệt điện tốt là cấu trúc tinh thể trong đó electron có thể di chuyển tự do, còn đường đi của các phonon — những dao động mang nhiệt lớn hơn electron — liên tục bị chặn lại. Trên thực tế, mấu chốt này rất khó đạt được, nên các vật liệu nhiệt điện kém hiệu quả hơn paraelectric (ít nhất là so với loại mà tiến sĩ Mischenko khảo sát). Dù vậy, Rama Venkatasubramanian (Nextreme Thermal Solutions, Bắc Carolina) tuyên bố đã chế tạo được các “tủ lạnh” nhiệt điện đặt được trên lưng chip và làm mát điểm nóng tới 10 ℃. Ali Shakouri (ĐH California, Santa Cruz) nói rằng thiết bị của ông còn nhỏ hơn — đủ nhỏ để đặt bên trong con chip.
I. The last word in computer cooling, though, may go to a system even less techy than a heat pump — a miniature version of a car radiator. Last year Apple launched a personal computer that is cooled by liquid that is pumped through little channels in the processor, and thence to a radiator, where it gives up its heat to the atmosphere. To improve on this, IBM’s research laboratory in Zurich is experimenting with tiny jets that stir the liquid up and thus make sure all of it eventually touches the outside of the channel — the part where the heat exchange takes place. In the future, therefore, a combination of microchannels and either thermoelectrics or paraelectrics might cool computers. The old, as it were, hand in hand with the new.
Tuy nhiên, “lời cuối” trong làm mát máy tính có thể lại thuộc về một hệ thống còn ít “công nghệ” hơn cả bơm nhiệt — phiên bản thu nhỏ của két nước ô‑tô. Năm ngoái Apple ra mắt một máy tính cá nhân được làm mát bằng chất lỏng bơm qua những vi kênh trong bộ xử lý, sau đó tới két tản nhiệt nơi nó tỏa nhiệt ra không khí. Để cải tiến, phòng thí nghiệm của IBM ở Zurich đang thử nghiệm những tia cực nhỏ để khuấy dòng chất lỏng, bảo đảm toàn bộ chất lỏng cuối cùng chạm tới bề mặt ngoài của kênh — nơi diễn ra trao đổi nhiệt. Trong tương lai, vì vậy, có thể kết hợp các vi kênh với hoặc nhiệt điện hoặc paraelectric để làm mát máy tính — cái cũ, nói vậy, nắm tay cái mới.