Microsoft тества охлаждане на чипове чрез микроканали в силиция, вдъхновени от крилата на пеперудите

IBM отдавна популяризира идеята за внедряване на микрохидродинамични системи за охлаждане на полупроводниковите компоненти, но Microsoft не иска да изостава и провежда съответните експерименти в своята инфраструктура. Нейните резултати вече доказаха, че директното течно охлаждане на микрочиповете може да подобри тяхната производителност в съвременните условия.

Както е отбелязано в прессъобщение на Microsoft, компанията вече тества течно охлаждане чрез микроканали, гравирани директно върху кристала на процесори, използвани в инфраструктурата за облачни услуги Office, както и в графични процесори, използвани за работа със системи с изкуствен интелект. Този подход подобрява три пъти условията за разсейване на топлината в сравнение с класическите метални топлоразпределители, използвани навсякъде.

Авторите на проучването използват изкуствен интелект, за да определят топлинния отпечатък на конкретни чипове и да идентифицират най-горещите зони на кристала, които изискват по-интензивно охлаждане. За тази част разработчиците са почерпили вдъхновение от природата, която е създала кръвоносните системи на животните и хората. Смята се, че подобни методи за охлаждане ще открият нови възможности за следващото поколение чипове с изкуствен интелект. Проблемът при сегашните подходи за охлаждане са сравнително високите загуби, дължащи се на големия брой звена във веригата за пренос на топлина.

В случая с графичните процесори въвеждането на микрохидродинамично охлаждане може да намали максималното увеличение на температурата на чипа с 65%, въпреки че ефективността може да варира в широки граници в зависимост от вида на полупроводниковите компоненти.

По време на процеса на литография в задната повърхност на кристала се гравират миниатюрни канали, които позволяват охлаждащата течност да се подава директно към кристала и топлината да се разсейва по-ефективно. Дълбочината на микроканалите трябва да е достатъчна, за да се осигури добра циркулация на течностите, без да се запушват с микрочастици, но е важно да се запази здравината на самия кристал, който не трябва да става прекалено крехък. Само през последната година разработчиците са преработвали четири пъти микроканалите, за да увеличат максимално ефективността им.

Отделно предизвикателство е бил изборът на етапите на производствения процес на чипа, отговорни за гравирането на микроканалите върху повърхността на силициевата пластина, изборът на химикали за гравирането и оптималния състав на охлаждащата течност, както и разработването на херметична опаковка за целия чип.

За да извлече най-доброто от природата, Microsoft си сътрудничи с швейцарския стартъп Corintis, в резултат на което е създадена система от микроканали със структура, по-близка до биологичната. Твърди се, че тя наподобява кръвоносните съдове в крилото на пеперуда.

Отбелязва се, че директният контакт на охлаждащата течност с полупроводниковите компоненти позволява поддържането на доста висока температура – до 70 градуса по Целзий, като същевременно се запазва висока ефективност на охлаждането. Внимателното разглеждане на експерименталните резултати показа, че този подход забележимо превъзхожда конвенционалните решения. Освен това той позволява чиповете да се подреждат един върху друг без риск от прегряване – ако всяко ниво ще се охлажда от течност. В сървърните системи чиповете с триизмерна многостепенна подредба са особено търсени, тъй като намаляват закъсненията при обмена на информация между изчислителните блокове и паметта. Преди това подобна подредба беше трудна за изпълнение поради проблеми с разсейването на топлината.

Възможно е Microsoft да използва тези разработки за създаване на нова високопроизводителна памет. Представителите на компанията не желаят да споделят подробности за профилните разработки, но не крият интереса си: „Паметта не е нещо, което може да се пренебрегне“.

От компанията обясняват, че описаният подход към охлаждането открива нови възможности за създаване на 3D-чипове със сложна многостепенна подредба. Когато чиповете се подреждат вертикално, системата от микроканали на всяко ниво ще се свързва със съседните с помощта на вертикални канали – подобно на паркинг на няколко етажа. Това ще гарантира, че всяко ниво се охлажда ефективно, докато сега при многоетажните чипове топлината просто се прехвърля от долните кристали към горните, на които е монтиран охладител.

Мащабът на бизнеса на Microsoft с изчисления в облак принуждава компанията да преследва всяка възможност за оптимизация, включително намаляване на консумацията на енергия.

Течното охлаждане на чиповете чрез директен контакт през мрежа от микроканали открива нови възможности за управление на изчислителната мощност през пиковите периоди. Например, в същата среда на Teams има прозорец от около час или час и половина през деня, които се характеризират с пиково натоварване – просто основната част от видеоконференциите се провежда в определени часове. Вместо да поддържа резервен капацитет на сървърите за тези нужди, Microsoft би могла краткосрочно да увеличи честотата на процесорите в съществуващите, сякаш да ги „овърклокне“, за да постигне необходимата производителност. С помощта на течно охлаждане това би било по-безопасно и по-лесно да се направи.

Джуди Прийст, корпоративен вицепрезидент и главен технически директор на отдел „Облачни операции и иновации“ в Microsoft, заяви следното:

„Микрохидродинамиката ще даде възможност за по-енергийно плътни конструкции, които дават на клиентите повече от важните за тях функции, като същевременно осигуряват по-висока производителност при по-малко пространство.“

Хусам Алиса, директор на системните технологии в това подразделение на Microsoft добави:

„Системното мислене е важно при разработването на технологии като микрохидродинамиката. Трябва да се разбере как системите си взаимодействат в силиция, чрез охладителната течност, в сървърния сегмент и в центъра за данни, за да се получи най-добрата стойност.“

Важно е да напомним, че не само IBM и Microsoft, но и Intel провеждат подобни разработки. Последната обаче предлага не да гравира самите кристали, а да превърне самия капак на процесора във воден блок. Според компанията това ще позволи ефективно охлаждане на процесори, които излъчват 1000 W (вата) мощност.

Microsoft също така разработва нови видове кухи оптични влакна. Вместо стъклена сърцевина тези влакна съдържат въздух, което им позволява да предават сигнали по-бързо. Сътрудничеството в тази насока е в ход с компаниите Corning и Heraeus Covantics, което би могло да създаде производство на такива влакна.