Technologia mikrokanałowego chłodzenia chipów
Chłodzenie cieczą to przyszłość centrów danych. Powietrze nie jest w stanie wytrzymać gęstości mocy docierającej do hali danych, dlatego do złącza wpływa gęsty płyn o dużej pojemności cieplnej. Wraz ze wzrostem gęstości ciepła sprzętu IT ciecz zbliża się do niego. Ale jak daleko mogą zbliżyć się ciecze? Powszechnie przyjmuje się, że system cyrkulacji wody należy uruchamiać tylnymi drzwiami szaf centrum danych. Następnie system zapewnia cyrkulację wody do płyty chłodzącej szczególnie gorących komponentów, takich jak procesory graficzne lub procesory. Ponadto system zanurzeniowy zanurza cały stojak w płynie dielektrycznym, dzięki czemu płyn chłodzący może stykać się z każdą częścią systemu. Główni dostawcy oferują obecnie serwery zoptymalizowane pod kątem immersji.
W 1981 roku badacze David Tuckerman i RF Pease z Uniwersytetu Stanforda zaproponowali wytrawienie maleńkich „mikrokanalików” w radiatorach, aby skuteczniej odprowadzać ciepło. Małe kanały mają większą powierzchnię i mogą skuteczniej odprowadzać ciepło. Sugerują, że radiatory mogą stać się elementem układów VLSI, a ich demonstracja pokazuje, że mikrokanałowe radiatory mogą wytrzymać imponujący strumień ciepła wynoszący 800 W na metr kwadratowy.
Wraz z rozwojem produkcji półprzewodników i jej wejściem w struktury trójwymiarowe, idea zintegrowanego chłodzenia i przetwarzania stała się bardziej praktyczna. Począwszy od lat 80. producenci próbowali nakładać wiele komponentów na chipy krzemowe. Tworzenie kanałów na wielowarstwowych chipach krzemowych może być szybką i optymalną metodą chłodzenia, ponieważ można rozpocząć od prostego wykonania małych rowków przypominających żebra na radiatorze. Jednak pomysłowi temu nie poświęcono zbyt wiele uwagi, ponieważ dostawcy chipów mają nadzieję wykorzystać technologię 3D do układania aktywnych komponentów w stosy. Ta metoda jest obecnie akceptowana przez pamięci o dużej gęstości, a patenty Nvidii wskazują, że może ona być przeznaczona do łączenia procesorów graficznych w stosy.
Naukowcy od kilku lat pracują nad wytrawieniem kanałów mikroprzepływowych na powierzchni chipów krzemowych. Zespół z Georgia Institute of Technology nawiązał współpracę z firmą Intel w 2015 roku, aby potencjalnie jako pierwszy wyprodukować układ FPGA ze zintegrowaną mikroprzepływową warstwą chłodzącą, umieszczoną zaledwie kilkaset mikrometrów od miejsca, w którym tranzystor pracuje na krzemie. „Wyeliminowaliśmy radiator na górze krzemowego chipa, schładzając ciecz zaledwie kilkaset mikrometrów od tranzystora” – powiedział w notatce prasowej profesor Muhannad Bakir, kierownik zespołu w Georgia Institute of Technology. Wierzymy, że bezpośrednie i niezawodne zintegrowanie chłodzenia mikroprzepływowego z krzemem stanie się przełomową technologią dla następnej generacji produktów elektronicznych.
Wewnątrz chipa zaprojektowano trójwymiarową sieć mikroprzepływowych kanałów chłodzących, znajdujących się zaledwie kilka mikrometrów poniżej aktywnej części każdego urządzenia tranzystorowego, skąd generowane jest ciepło. Ta metoda może poprawić wydajność chłodzenia 50-krotnie. Mikrokanały transportują płyny bezpośrednio do gorących punktów i obsługują zadziwiającą gęstość mocy wynoszącą 1,7 kW na centymetr kwadratowy. Odpowiada to 17 MW na metr kwadratowy, co stanowi kilkukrotność obecnego strumienia ciepła GPU.
Trudność w odprowadzaniu ciepła powoduje, że największe dzisiejsze chipy nie są w stanie wykorzystać wszystkich tranzystorów na raz, w przeciwnym razie ulegną przegrzaniu. Zastosowanie mikroprzepływów może poprawić wydajność i efektywność chipów. Możliwe jest wydajniejsze działanie centrów danych bez konieczności stosowania energochłonnych systemów chłodniczych.
