Elektronik är hetare än någonsin

“Elektronik är hetare än någonsin” . är en fras som ofta används när industrin beskriver dagens utveckling och den rådande digitala revolutionens beroende av hårdvara. Hela digitaliseringen – Industry 4.0, AI, IoT, 5G, Machine Learning, Cyber Security, robotar, autonoma självkörande fordon, virtualisering, etc – är beroende av nya generationer av elektronikhårdvara som kan leverera högre prestanda i mindre förpackning och med kortare svarstider än någonsin tidigare.
Detta medför dock att frasen även får en andra, mer bokstavlig mening; icke desto mindre sann: elektronik blir hetare än någonsin också på grund av att effekttätheten – densiteten av komponenter som gör saker, och därmed förbrukar effekt, och därmed också avger värme – är högre än någonsin.

För att konkretisera detta något: Under perioden 2000-2020 har processorer blivit energisnålare . Energiförbrukningen i watt per flyttalsoperation/sek (W/FLOPS) har gått ner med i storleksordningen tre tiopotenser. Detta har dock gott och väl ätits upp av det faktum att databearbetningskapaciteten per processor (FLOPS/device) under samma period har ökat med storleksordningen fyra tiopotenser!

Således kan vi sammantaget konstatera att den effekt som förbrukas i en typisk processor per tidsenhet, trots effektivare komponenter, fortfarande ökat ungefär med en faktor tio.

Detta är dock bara en facett av hur det termiska problemet i elektronik utvecklats. Under samma period 2000-2020 har även elektroniken blivit mycket kompaktare. För att exemplifiera detta kan vi se hur transistordensiteten i processorer per ytenhet (n-p junctions/cm2) ökat med två tiopotenser.

Därutöver vet vi att elektronikkomponenter packas mycket tätare i våra enheter. Exempelvis kan vi betrakta ett par av det tidigaste seklets populärare och mer avancerade affärs-”smartphones”: Sony Ericsson P800 hade en densitet av runt 0,8g/cm3, medan Nokias Communicator var en relativ tungviktare på hela 1g/cm3. Medan å andra sidan, år 2020 har iPhone Pro en densitet på närmare 2,3g/cm3 – nästan 3x tätare än P800. Förvisso har en del av detta att göra med materialval – plast kontra glas och metall – men mycket kommer också an på hur tätt komponenter inuti apparaten packats.

Liknande utveckling kan ses hos laptops, liksom det mesta andra i elektronikväg. Detta innebär att effektdensiteten – antalet watt som förbrukas, och därmed också förlustvärme som utvecklas, per volymenhet elektronik har ökat flerfaldigt. Därmed har också de tekniska utmaningarna för dem som konstruerar lösningar för att kyla bort förlustvärmen eskalerat.

Fig 1: Diagram över CPU-utveckling.

Blickar vi framåt kan vi se hur denna trend fortsätter. Det har nämnts hur exempelvis att utnyttja kiselkarbidbaserade halvledarkomponenter i elfordons kraftelektronik istället för kiselbaserade kan kapa effektförbrukningen med hälften, samtidigt som storleken kan kapas med en faktor fem. Allt detta låter väldigt lovande – tills man studerar konsekvensen av siffrorna närmare: hälften så mycket effekt i en femtedel så stor volym innebär att effektdensiteten – och därmed kylproblematiken – istället ökat till 250%!

Lägg till detta att reduktion av en volym med 80% därmed också innebär 2/3 nominell reduktion av volymens yta – dvs. den yta som värmen måste passera för att kunna kylas ut ur volymen – och man kan enkelt se att så som elektronik utvecklas – och behöver utvecklas, för att fortsatt kunna svara mot marknadens efterfrågan och leverera den digitalisering vi står inför – kommer högre verkningsgrad i komponenter ensamt inte att kunna lösa värmeproblematiken. Utveckling av effektivare (både i bemärkelsen ”effective” och ”efficient”) kylteknologi måste till.

 

Således, vi ser att elektronik utvecklas i tre distinkta riktningar:

  1. Ökad förmåga, i att vi t.ex. behöver kunna köra kraftfullare och mer krävande mjukvara.
  2. Ökad kompakthet, i att mer och mer elektronik och intelligens behöver få plats i allt mindre utrymmen.
  3. Ökad hastighet, i att snabbheten för trådlös kommunikation blir högre, likaså hastigheter för dataöverföring både inom och mellan system, kraven på latens blir striktare, etc.

Men ökad förmåga kräver kraftfullare – dvs. mer effektkrävande – komponenter. Ökad kompakthet översätter direkt till ökad effekttäthet. Ökad hastighet innebär högre frekvenser, vilket innebär mer effekt förbrukad per tidsenhet. Alla dessa tre faktorer tillsammans driver inte bara en ökning av värmeflödet i vår elektronik; denna ökning är dessutom exponentiell. Och sammantaget driver allt detta ett behov av mer kylning och bättre kyllösningar.

Men vad händer ifall vi vänder på resonemanget? Låt oss för ett ögonblick leka med tanken att vi har nått ”Peak Thermal” – en punkt när kyltekniken nått sitt tak och helt enkelt inte förmår utvecklas vidare. Vi kan således inte få ut en enda watt mer ur en apparat än vi kan idag, oavsett vad vi hittar på.

Detta skulle innebära att vi inte kan acceptera ett ökat värmeflöde. Därmed kan vi heller inte ha vare sig kraftfullare komponenter eller kompaktare eller snabbare system – åtminstone inte utan att ge avkall på något av de andra två. Och vad skulle detta innebära för vår förmåga att genomföra digitaliseringen? Och i förlängningen, för industrins framtid?

Vi hade en tidpunkt för ungefär 15 år sedan, då en del av elektronikbranschen slog i ett termiskt tak. Den minnesgode kan dra sig till minnes hur datorer i början av millenniet marknadsfördes med sin klockfrekvens som prestandaindikator. Alla annonser pratade om MHz hit och GHz dit – fram till runt 2005, då helt plötsligt ingen pratade om frekvenser längre. Och ingen har sagt ett knyst om klockfrekvens sedan dess.

Vad var det som hände?

Något förenklat, varje klockcykel genererar en i det närmaste infinitesimal förlusteffekt i transistorerna på ett chip. Men med miljoner transistorer i en processor och miljarder klockcykler varje sekund, kommer det med en stadig ökning av antalet klockcykler till slut en punkt när befintlig kylteknik inte längre orkar med att transportera bort den sammanlagda förlusteffekten från chipet. Denna punkt nåddes där under millenniets första år – vad som i historien nu kallas ”the Power Wall”.

En av de ledande processortillverkarna har berättat om en intern diskussion som de hade runt 2005, där de konstaterade att jo, de skulle nog kunna klara av att ha en 10GHz-processor färdigutvecklad någon gång till 2016 … men yttemperaturen på det kislet skulle vara någonstans i närheten av samma yttemperatur som solen. Man beslutade sig för att inte gå vidare på den vägen.

Vad som istället gjordes var att branschen spelade ut sitt ”Get Out of Jail Free”-kort: istället för att ha en processor på varje chip som arbetar med allt tätare klockcykler, frös man mer eller mindre klockfrekvenserna och splittade upp och databearbetningen på flera processorkärnor. Således, man fördelade effekten över en större yta. Grundläggande Thermal Management-visdom.

Men nu har man spelat ut det kortet – och idag pratar man istället t.o.m. att bygga processorer som tredimensionella block, med ännu högre effektdensitet!

Så vad händer när nästa Power Wall kommer – för oundvikligen lurar den ju någonstans i framtiden? De termiska utmaningarna, och förmågan att lösa dem, inrymmer således en ödesfråga för elektronikindustrin: I kapplöpningen om att vinna kontrakten för nästa generations elektronik kommer förr eller senare en punkt när den som vinner – företag, eller nation – är den som bäst lyckats hålla undan nästa Power Wall; m.a.o., den som kan tillämpa mest överlägsen kylteknologi.

 

Hur hanterar vi då denna ödesfråga här i Sverige? Emedan stora delar av svensk elektronikindustri ofta identifierar Thermal Management, Thermal Design, Thermal Engineering, eller någon annan engelsk formulering av elektronikkylning som en fundamental tröskel för utvecklingen av kommande generationers produkter, är problemmedvetenheten hos de högskolor och universitet som skall förse denna industri med kompetensen att navigera dessa trösklar svag. Följden är att företag som tar in nyutexaminerad kompetens på vilken nivå det än vara månde ofta måste börja med att själva utbilda de nyanställda inom elektronikkylningens fundamenta – inte sällan bokstavligen på nivån att förstå skillnaden mellan termisk resistans och termisk konduktivitet.

Elektronikkylning är ett sant multidisciplinärt problem. Dess mekanismer handlar om fysik – termodynamik – medan själva värmekällan är elektronik; dess effektutveckling styrs ofta av programkod – datateknik – och dess lösningar inbegriper i regel huvudsakligen mekanikkonstruktion.

Det finns dock mig veterligt ingen institution för elektronikkylning på någon av landets lärosäten. Vissa institutioner (som Energiteknik på Maskin/ITM på KTH) har försökt gå före och erbjuda specifika kurser i ämnet, men angeläget som problemet är, har kurserna svårt att locka studenter, med följden att de endast sällan faktiskt ges. Problemet är delvis att elektronikkylning inte ses som ”sexigt” nog av teknologerna – men detta går in under ett större problem vi kan se beröra tekniska branscher i landet i stort.

 

Thermal Management lider här under samma åkomma som drabbar de flesta tekniska kompetensfält i Sverige idag: att yngre förmågor endast i mindre omfattning är fostrade till att lockas av teknik och ingenjörsvetenskap över huvud taget.

Den offentliga bilden av teknik i Sverige under de senaste årtiondena, såsom den förmedlats i medier men även i allmän debatt och i vissa fall även i grundskola och gymnasier, kan oftare synas handla om att problematisera teknik och tekniska lösningar, snarare än om att se teknikutveckling som något positivt och framåtblickande.

Teknologi framställs gärna som en del av problemet, eller t.o.m. som själva grunden till problemet, snarare än som en väg till lösningar på problem. Från att ha varit ett teknikpositivistiskt samhälle fram till 70-talet, har den svenska allmänheten i följderna efter kärnkraftsdebattens paradigmskifte blivit successivt allt mer teknikskeptisk.

På det sättet skulle det nu kunna vara på sin plats att efterlysa motsvarigheter till ”STEM-akademi”, ”konkurrenskraftinitiativ” etc, liknande vad som finns i till exempel USA och flera andra av våra strategiska konkurrentländer, för att stärka och uppmuntra förkovring och utveckling inom ”Science, Technology, Engineering, and Mathematics”. Ett nytt paradigmskifte är av nöden.

 

Men detta sagt; även bland dem som trots allt ändå söker sig till tekniska utbildningar är intresset för elektronikkylning litet, om inte obefintligt. Detta är inte ett problemområde som är vidare känt, eller upplevs som ”spännande” av dem som söker utbildningar.

Intresset hos näringslivet att få fram kompetenta ingenjörer är dock som sagt omfattande, och det händer därför att företag erbjuder sig att komma till lärosätena för att dela mid sig av sin verklighet och på det sättet förhoppningsvis generera intresse i studentkollektivet.

Men – då teknologer under pågående utbildning på detta sätt erbjuds möjlighet att få fördjupad kunskap om de verkliga tekniska problem som industrin tampas med idag, tenderar motfrågan ofelbart bli ”kommer detta på tentamen?” Och är svaret då ”nej”, är också den omedelbara responsen ”inte intresserad”. Vilket i så fall skulle innebära att det uppenbara sättet att skapa intresse för elektronikkylning vore att införa det som ett obligatorium i kursplanerna. Boll till lärosätena, måhända?

 

Nästa led i kedjan är de institutioner vi har i landet som jobbar med att belysa strategiska problemområden för landets beslutsfattare, att understödja forskning och innovation, att säkra kompetensutveckling och tillväxt inom företagen, och så vidare – institutioner som Vinnova, RISE, Teknikföretagen (genom Smartare Elektroniksystem), diverse mer eller mindre fristående strategiska innovationsprogram, etcetera. Hur hjälper dessa svensk industri tampas specifikt med elektronikkylning och relaterad problematik?

Om man tittar på de organisationskartor, programförklaringar med mera som dessa institutioner har, och vad de där identifierar som fokusområden eller strategiska problemområden, blir bilden dessvärre något dyster.

 Elektronikkylning omnämns inte någonstans som ett specifikt problemområde, eller blir på annat sätt identifierat som ett fält i behov av särskild kompetens eller riktade ansträngningar. Ordet ”kylning” förekommer i det närmaste aldrig. Kommer problemområdet ändå upp i en bisats i något sammanhang plägar det relegeras in någonstans i ett ingenmansland mellan ”hållbarhet”, ”byggsätt”, ”kraft och energi” och liknande generiska rubriker.

Således finns här även en boll till de institutioner som ser som sitt uppdrag att understödja svensk elektronikindustris konkurrenskraft och framtida utveckling: att lyfta elektronikkylning på agendan och se hur vi kan börja säkra kompetensutveckling och få fram ny innovation och spetsforskning – och i förlängningen, produkter och lösningar – inom området.

 

De senaste åren har tydligt visat oss hur oförutsägbar vår omvärld kan vara. De handelspartners vi förlitar oss på kan visa sig vara aggressivt expansionistiska, eller bestämma sig för att bli aggressivt protektionistiska. De kan på en nyck frångå avtal och samarbeten ingångna sedan årtionden, eller försöka ålägga oss lagstiftning som riskerar frysa vital teknikutveckling för överskådlig tid. Produktion kan plötsligt beordras nedstängd pga. politiska högtider eller utbrott av epidemier.

I denna värld vi lever i finns dessvärre den stora bulken av företag som utvecklar teknologi för elektronikkylning, och som den svenska industrin således är beroende av för att utveckla framtida generationer av sina produkter, utanför Sveriges gränser. Förutom ett fåtal företag hemmahörande i Europa, är de allra flesta leverantörerna antingen amerikanska eller asiatiska.

Bland de asiatiska företagen är de flesta som är kända för flertalet inom svensk industri antingen taiwanesiska eller japanska, men för dem med verksamhet i Kina är det överväldigande utbudet av kinesiska aktörer med största sannolikhet synnerligen välbekant.

Emedan globaliseringen gjort att många av de internationella gränserna inom handel blivit otydligare och trösklarna lägre, har dock de senaste årens politiska utveckling tydligt påvisat att vi inte har råd att naivt förlita oss på att omvärlden alltid och beredvilligt kommer att förse oss med all den nyckelteknologi vi behöver för att hålla en position i världstäten.

Dock är bilden inte utan ljuspunkter. Det finns ett till sin numerär litet, men till sin kompetens mycket framstående, antal inhemska företag som utvecklar och levererar lösningar för elektronikkylning. Vi har inom landets gränser teknologi för både metalliska och icke-metalliska material, vi har teknologi för tillverkningsmetoder, vi har teknologi för tillämpade kylmekanismer – allt i teknikens framkant. För de allra flesta länkar i värmeöverföringskedjan har vi mycket spännande teknologi att tillgå, som kan hålla svensk elektronik kall i många år framöver.

 

Det kan alltså inte råda något tvivel om att vi i Sverige är väldigt duktiga inom elektronikkylning – och behovet är, som ovan konstaterats, stort och eskalerande. Men att få kopplingarna mellan de olika hörnen i triangeln – lösningskonsumerande industri, lösningsproducerande industri, och det offentliga i form av akademi/institutioner – att fungera effektivt, är vi idag långtifrån tillräckligt duktiga på.

Nästa fråga handlar således inte bara om att förvalta det vi har, utan att få det att växa och utvecklas, och vidare till att utveckla inhemsk spetsteknologi för att fylla igen de luckor som trots allt fortfarande finns.

 

Jussi Myllyluoma
APR Technologies

 

FAKTA:

Elektronikindustrin är strategiskt vital för Sverige som nation. Runt 15% av landets export och 300 000 arbetstillfällen är direkt kopplade till elektronik. Inräknat de företag och näringar som direkt eller indirekt supportar elektronikindustrin, kan dess sammanlagda andel av landets ekonomi beräknas hamna i storleksordningen 20-25%.

Samtidigt är, som huvudartikeln konstaterar, denna industri beroende av att kunna få fram kyllösningar kapabla att lösa de termiska behoven i produkterna; än mer så med den pågående digitaliseringen. Att säkra global konkurrenskraft med lösningar för den nya generationens teknologi handlar i allt högre grad om att ha tillgång till kylteknologi som befinner sig på thermal management-teknologins absoluta framkant.

Men med stora delar av den befintliga teknologin baserad i länder som USA och Kina, hur säkras svensk industris konkurrensförmåga?

Med till exempel en amerikansk administration som i strid med ingångna internationella överenskommelser aggressivt söker säkra amerikanska intressen genom tariffer och skyddstullar, eller en kinesisk administration som inte mindre aggressivt pushar Kinas intressen över världens gränser – kommer svenska företag som tävlar mot dessa länder om tätpositioner på den globala marknaden alltid att kunna lita på att ha tillgång till den senaste tekniken som dessa länder har att erbjuda?

Därav det behov att säkra en inhemsk, tekniskt framstående och välmående Thermal Management-industri i Sverige som huvudartikeln söker belysa.