Pregrevanje čipov že leta predstavlja glavno oviro za izkoriščanje celotnega potenciala naprednega računalništva. Glede na to je startup Maxwell Labs s sedežem v St. Paulu (Minnesota) razvil inovativno tehnologijo fotonskega hlajenja, ki obeta spremembo načina upravljanja temperature procesorjev v podatkovnih centrih in infrastrukturi umetne inteligence.
Ta rešitev uporablja laserske žarke in posebej zasnovane materiale za pretvorbo presežne toplote v svetlobo, ki jo natančno in učinkovito odvaja. Ta napredek bi lahko spremenil tako arhitekturo čipov kot globalno digitalno infrastrukturo, kar bi omogočilo sisteme z večjo zmogljivostjo in manjšo porabo energije.
Toplotni izziv sodobnega računalništva
Sodobni čipi, opremljeni z desetimi milijardami tranzistorjev, se soočajo z omejitvijo, znano kot »temni silicij«. Do 80 % tranzistorjev mora ostati neaktivnih, da se ne dosežejo ekstremne temperature, podobne tistim na površini Sonca.
Zaradi te omejitve ni mogoče izkoristiti celotne razpoložljive zmogljivosti procesiranja, kar pomeni delno izkoriščanje obstoječe tehnologije.
Desetletja je industrija poskušala preprečiti pregrevanje z vedno bolj sofisticiranimi ventilatorji in rešitvami za tekoče hlajenje. Vendar ti sistemi odvzemajo toploto le s površine, pri čemer pustijo nedotaknjene vroče točke, ki se pojavljajo lokalno in dinamično med intenzivnimi nalogami. Rezultat je opazen toplotni ozki grlo, ki zavira razvoj visoko zmogljivega računalništva.
Načelo fotonskega hlajenja
Razvoj Maxwell Labs predlaga radikalno rešitev: namesto da bi toploto odstranili, jo odpravimo. Njihova tehnika fotonskega hlajenja uporablja laserje za indukcijo tako imenovane anti-Stokesove fluorescenca.
S pomočjo materialov, dopiranih z iterbijevimi ioni, sistem absorbira fotone z nizko energijo, da oddaja svetlobo z višjo energijo, pri čemer odvaja toploto iz samega materiala in tako neposredno znižuje temperaturo.
Ta fizikalni mehanizem, ki je bil prvič predstavljen leta 1995, izkorišča toplotno energijo in jo pretvarja v svetlobo, ki se lahko odvaja in na koncu ponovno pretvori v elektriko. Postopek omogoča hlajenje vročih točk s toplotno gostoto več tisoč vatov na kvadratni milimeter, kar precej presega tradicionalne tehnike hlajenja.
Oblika fotonske hladilne plošče
Bisera te inovacije je fotonika hladilna plošča, miniaturizirana struktura, nameščena na podlagi čipa. Vključuje sklopko, ki usmerja lasersko svetlobo v območje mikrohladilnika, izvlečevalnik, kjer poteka anti-Stokesova fluorescenca, zadnji reflektor, ki preprečuje, da bi svetloba dosegla čip, in toplotni senzor, ki zazna vroče točke.
Ko senzor zazna povečanje temperature, sistem aktivira laser v tem specifičnem območju in začne proces hlajenja samo tam, kjer je to potrebno.
Z optimiziranjem zasnove, ki vključuje geometrijo sklopke in koncentracijo dopantov, so inženirji Maxwell Labs skupaj z Univerzo v Novi Mehiki, Univerzo St. Thomas in Sandia National Laboratories uspeli zgraditi matriko hladilnih plošč velikosti le enega kvadratnega milimetra. Ta sistem se lahko namesti na različne procesne enote, kar omogoča lokalno in učinkovito odvajanje toplote.
Naslednja generacija teh plošč bo še dodatno zmanjšala svojo velikost, in sicer na 100 x 100 mikrometrov, in bo imela vgrajene fotonske mreže, ki bodo usmerjale lasersko svetlobo natančno na vroče točke, ki to zahtevajo.
Prednosti v primerjavi s konvencionalnimi metodami
Fotonsko hlajenje se odlikuje po treh temeljnih prednostih:
- Odpravlja problem temnega silicija, saj v realnem času hladi le kritične cone, omogoča sočasno delovanje več tranzistorjev in zagotavlja večjo računalniško vzporednost.
- Temperaturo čipa ohranja pod 50 °C (122 °F), medtem ko lahko sedanji čipi na najbolj vročih mestih dosežejo temperature med 90 in 120 °C (194 in 248 °C).
- Olajša tridimenzionalno integracijo čipov, saj je vsaka plast opremljena z lastno hladilno ploščo.
Poleg tega izračuni Maxwell Labs kažejo, da ta rešitev v kombinaciji z zračnim hlajenjem lahko zmanjša skupno porabo energije za več kot 50 % v primerjavi s sedanjimi sistemi, z še boljšimi obeti za prihodnje čipe.
Posebej privlačen vidik je, da se oddana svetloba lahko zajame z optičnimi vlakni in pretvori v elektriko, pri čemer se dosežejo stopnje izkoristka energije nad 60 %.
Izzivi in naslednji koraki k uvedbi
Kljub svojemu potencialu je množična uvedba fotonskega hlajenja odvisna od rešitve nekaterih izzivov:
- Razvoj novih materialov z večjo učinkovitostjo za lasersko hlajenje, ki omogočajo širitev obsega uporabe in zmanjšanje stroškov.
- Napredna miniaturizacija hladilnih plošč, skupaj z napredkom v optičnem inženirstvu in obdelavi materialov.
- Integracija v paket čipov, kar bo zahtevalo sodelovanje med proizvajalci in razvijalci hladilnih sistemov, opredelitev novih standardov za optične vmesnike in merila toplotne učinkovitosti.
Podjetje ocenjuje, da bo prva uvedba te tehnologije potekala v visoko zmogljivih računalniških sistemih in umetnih inteligenčnih grozdih pred letom 2027. Med letoma 2028 in 2030 se predvideva širša uvedba v podatkovnih centrih, splošna uvedba pa se predvideva po letu 2030.
Napoved za prihodnost računalništva
Vpliv fotonskega hlajenja je lahko transformativen. Z odpravo toplotnih omejitev bodo procesorji delovali na višji frekvenci in z večjo vzporednostjo, kar bo omogočilo nadaljevanje napredka, ki ga narekuje Moorov zakon.
Tehnološka učinkovitost, skupaj z izkoriščanjem dela izgubljene energije, spreminja upravljanje toplote v novo priložnost za optimizacijo porabe energijskih virov v sektorju.
