KI-Rechenzentren werden oft mit „energiehungrigen Monstern“ verglichen, weil der KI-Rechenprozess enorme Mengen an Energie verbraucht und ständig Wärme erzeugt, was wiederum ein Kühlsystem erfordert, das eine ähnliche Menge Strom verbraucht.
Die rasante Entwicklung von groß angelegten Modellen und die KI-Generierung haben zu einem sprunghaften Anstieg der Chip-Leistung und einer dichteren Integration geführt, was einen exponentiellen Anstieg der Wärmeabgabe pro Flächeneinheit zur Folge hat.
Herkömmliche, lüfterbasierte Kühlmethoden oder externe Kupferkühlkörper stoßen jedoch an ihre physikalischen Grenzen und können den Anforderungen an eine kontinuierliche Wärmeabfuhr nicht mehr gerecht werden. Daher stellen Kühlsysteme mit extrem hohen Wärmestromdichten ein zentrales Problem dar, das die Entwicklung leistungsstarker Computer behindert.
Direkte Integration in Silizium
Um dieses Problem anzugehen, befasste sich ein Forschungsteam des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) mit der Technologie des Wärmemanagements auf Chipebene.
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Die Motherboards von Rechenzentrumsservern werden durch Eintauchen in eine inerte Flüssigkeit gekühlt. Quelle: Green Revolution Cooling. |
Die Idee besteht darin, ein effizientes Flüssigkeitskühlsystem zu entwickeln, das direkt in den Chip integriert ist und somit eine völlig neue Lösung bietet.
Nach einer Forschungsphase ist es einem interdisziplinären Team unter der Leitung von Professor Kim Sung-jin (Fachbereich Maschinenbau) und Professor Lee Ik-jin (Künstliche Intelligenz und Informatik) gelungen, die Herausforderung der Wärmeableitung bei hochbelasteten Chips zu meistern.
Der größte praktische Vorteil dieser Technologie besteht insbesondere darin, dass sie sauberes Wasser bei Raumtemperatur direkt als Kühlmittel nutzen kann und so die Temperatur von Halbleiterchips, die unter hoher Last arbeiten, präzise senkt, ohne auf Kaltwasser oder spezielle Kühllösungen angewiesen zu sein.
Dem Forschungsteam zufolge liegt der Schlüssel darin, Mikrokanäle mit Durchmessern, die viel kleiner sind als ein menschliches Haar, direkt in die Siliziumstruktur des Halbleiterchips einzubetten, um ein einheitliches Ganzes zu bilden.
Praxistests zeigen, dass dieses Kühlsystem selbst unter extremen Wärmeerzeugungsbedingungen von bis zu 2000 W/cm² stabil bleibt und die Chipkerntemperatur unter 100°C hält, wodurch sichergestellt wird, dass das Gerät mit maximaler Effizienz arbeitet.
Mikrokanalstruktur mit mehreren Elementen
Im Vergleich zu aktuellen Kühltechnologien liegt der Schwerpunkt dieser Forschungsinnovation in der eingebetteten Microchannel Manifold (MMC)-Architektur innerhalb des Chips.
Bei der herkömmlichen Mikrokanalkühlung muss das Kühlmittel kontinuierlich von einem Ende des Chips zum anderen fließen. Dieser übermäßig lange Förderweg erhöht den Strömungswiderstand erheblich.
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Architekturmodell eines Mikrokanalverteilers (MMC). Bild: KAIST. |
Um die Zirkulation aufrechtzuerhalten, ist das System gezwungen, mehr Pumpenleistung einzusetzen, was zu einem erhöhten Energieverbrauch, einer verringerten Gesamtwärmeabfuhreffizienz und höheren langfristigen Betriebskosten führt.
Die MMC-Strömungsstruktur revolutioniert diese Zirkulationslogik. Indem das Kühlmittel über mehrere verteilte Einlässe geleitet, der Wärmeaustausch durchgeführt und das Kühlmittel anschließend über mehrere Auslässe sofort wieder aufgefangen wird, entsteht ein Mehrpunkt-Kühlnetzwerk mit extrem kurzer Zykluszeit.
QQ vergleicht dieses Prinzip mit einem Logistiknetzwerk. Laut QQ ist das alte Modell vergleichbar mit dem Transport von Waren über lange Strecken auf einer einzigen Route, was mit langen Transportwegen und erheblichen Verlusten einhergeht. MMC hingegen ähnelt dem Aufbau von Distributionszentren in der gesamten Region, wodurch ein direkter Wärmeaustausch vor Ort ermöglicht wird.
Diese Konstruktion minimiert nicht nur die Reibung der Kühlflüssigkeit und den Pumpendruck, sondern gewährleistet auch eine gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit im gesamten Chipbereich. Ungleichmäßige lokale Wärmeabfuhr oder Überhitzung werden vollständig vermieden, wodurch Drosselung oder Fehlfunktionen des Chips verhindert werden.
Darüber hinaus versuchten die Forscher nicht, die Größe der Leitung zu verkleinern, sondern optimierten auf intelligente Weise eine Reihe von Kernparametern wie Breite, Höhe, Anzahl und Anordnung der Mikrokanäle sowie die Durchflussrate.
Um das optimale Design herauszufiltern, entwickelte das Team ein Framework zur Optimierung mit mehreren Genauigkeitsstufen. Zunächst nutzten die Wissenschaftler ein leistungsstarkes 1D-Modell, um schnell eine Reihe von Basisdesigns zu überprüfen und ineffiziente Strukturen auszusortieren.
Anschließend optimiert das Team mithilfe hochpräziser 3D-Simulationstechnologie die vielversprechendsten Optionen. Dieses System optimiert drei Kernkennzahlen gleichzeitig: thermische Leistung, Flüssigkeitsdruckverlust und Temperaturverteilung auf dem Chip.
Als Ergebnis konnte das Forschungsteam das Problem der ungleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung, die die „Achillesferse“ bisheriger MMC-Studien weltweit darstellte, vollständig überwinden.
Bei den Tests erreichte das neue Kühlsystem einen Leistungskoeffizienten von 106.000 COP, ein Maß für die abgeführte Wärmemenge pro verbrauchter Energieeinheit.
Forscher sagen, dieser Wert sei mehr als zehnmal höher als der bisherige Weltrekord, der 2020 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Mit anderen Worten: Diese neue Innovation ist in der Lage, die gleiche Wärmemenge mit nur einem Zehntel der Energie zu kühlen, die die beste derzeit verfügbare Chip-Kühltechnologie benötigt.
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Diese neue Kühltechnologie ist zehnmal effizienter als der bisherige Weltrekord. Foto: KAIST.  Botschafter Nguyen Quoc Dung besucht und arbeitet in Minnesota, USA.Vom 28. bis 30. Juni besuchte der vietnamesische Botschafter in den Vereinigten Staaten, Nguyen Quoc Dung, Minnesota und arbeitete dort.  Vietnam ermutigt US-Unternehmen, ihre Investitionen in Hochtechnologie auszuweiten.Am Morgen des 26. Juni empfing Vizepremierminister Ho Quoc Dung im Regierungssitz Herrn Jeff Place, Supply-Chain-Direktor der Coherent Group (USA). Während des Treffens bekräftigte der Vizepremierminister, dass Vietnam US-Unternehmen zu verstärkten Investitionen ermutigt, insbesondere in den Bereichen Hochtechnologie, Innovation und Halbleiterindustrie.  US-Unternehmen sollen ermutigt werden, ihre Investitionen in Hightech-Sektoren auszuweiten.Vizepremierminister Ho Quoc Dung sagte, Vietnam begrüße es, dass US-Unternehmen ihre Aktivitäten in Vietnam weiter ausbauen, insbesondere in Hightech-Branchen und Sektoren mit hoher Wertschöpfung. |
Bemerkenswerterweise ist diese herausragende Leistung völlig unabhängig von aufwendigen Fertigungsprozessen oder teuren Materialien. Die Fertigungstemperatur des integrierten Mikrokanals liegt unter 350 °C und ist somit vollständig kompatibel mit gängigen CMOS-Fertigungslinien.
Dadurch entfällt die Notwendigkeit für Fabriken, zu renovieren oder teure Maschinen anzuschaffen, was den Weg für eine sofortige Vermarktung ebnet.
„Da die Leistungsfähigkeit von KI-Chips stetig zunimmt und sich die fortschrittliche Elektronik-Gehäusetechnologie wiederholt, werden die Grenzen der Hardware-Leistung zunehmend durch die Temperatur eingeschränkt.“
„Diese leistungsstarke Flüssigkeitskühlungstechnologie wird die grundlegende Lösung für zukünftige Computersysteme darstellen und die Sackgasse bei der Balance zwischen Rechenleistung und Energieverbrauch überwinden“, betonte Professor Kim Sung-jin.
Quelle: https://znews.vn/day-la-cong-nghe-lam-mat-chip-hieu-qua-gap-10-lan-post1661387.html
