Si tratta di una tecnologia di raffreddamento dei chip 10 volte più efficiente.

Alcuni scienziati sudcoreani hanno appena annunciato di aver sviluppato con successo una tecnologia di raffreddamento a liquido super efficiente, integrata direttamente nel substrato di silicio dei microchip.

I data center per l'intelligenza artificiale vengono spesso paragonati a "mostri assetati di energia" perché il processo di calcolo dell'IA consuma enormi quantità di energia e genera calore costante, il che a sua volta richiede un sistema di raffreddamento che consuma una quantità di elettricità simile.

Il rapido sviluppo di modelli su larga scala e della generazione di intelligenza artificiale ha portato a un'impennata nelle prestazioni dei chip e a una maggiore integrazione, con conseguente aumento esponenziale della dissipazione del calore per unità di area.

Tuttavia, i metodi di raffreddamento tradizionali basati su ventole o dissipatori di calore esterni in rame hanno ormai raggiunto i loro limiti fisici e non sono in grado di soddisfare le esigenze di dissipazione continua del calore. Pertanto, i sistemi di raffreddamento con densità di flusso termico estremamente elevata rappresentano un problema fondamentale che ostacola lo sviluppo di capacità di calcolo di fascia alta.

Integrazione diretta nel silicio

Per affrontare questo problema, un team di ricerca del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) si è dedicato allo studio della tecnologia di gestione termica a livello di chip.

Le schede madri dei server dei data center vengono raffreddate per immersione in un liquido inerte. Fonte: Green Revolution Cooling.

L'idea è quella di creare un sistema di raffreddamento a liquido efficiente, integrato direttamente nel chip, offrendo una soluzione completamente innovativa.

Dopo un periodo di ricerca, un team interdisciplinare guidato dal professor Kim Sung-jin (Dipartimento di Ingegneria Meccanica) e dal professor Lee Ik-jin (Intelligenza Artificiale e Informatica) ha superato la sfida della dissipazione del calore nei chip ipercaricati.

Nello specifico, il principale vantaggio pratico di questa tecnologia è la possibilità di utilizzare direttamente acqua pulita a temperatura ambiente come refrigerante, abbassando con precisione la temperatura dei chip semiconduttori operanti ad alto carico senza dover ricorrere ad acqua a bassa temperatura o a soluzioni di raffreddamento specializzate.

Secondo il team di ricerca, la chiave sta nell'integrare direttamente dei microcanali, con diametri molto più piccoli di un capello umano, all'interno della struttura di silicio del chip semiconduttore per formare un insieme unificato.

I dati dei test reali dimostrano che, anche in condizioni di generazione di calore estreme fino a 2000 W/cm², questo sistema di raffreddamento rimane stabile, mantenendo la temperatura del core del chip al di sotto dei 100 °C e garantendo al dispositivo un funzionamento alla massima efficienza.

Struttura a microcanali multipli

Rispetto alle attuali tecnologie di raffreddamento, il fulcro di questa innovazione di ricerca risiede nell'architettura Microchannel Manifold (MMC) integrata nel chip.

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Con il raffreddamento tradizionale a microcanali, il liquido refrigerante deve fluire in modo continuo da un'estremità all'altra del chip. Questa distanza eccessivamente lunga aumenta significativamente la resistenza al flusso.

Modello architetturale del collettore a microcanali (MMC). Immagine: KAIST.

Per mantenere la circolazione, il sistema è costretto a utilizzare una maggiore potenza delle pompe, con conseguente aumento del consumo energetico, riduzione dell'efficienza complessiva di dissipazione del calore e maggiori costi operativi a lungo termine.

Nel frattempo, la struttura di flusso MMC ridefinisce completamente questa logica di circolazione. Distribuendo il refrigerante attraverso molteplici ingressi dispersi, completando il processo di scambio termico e raccogliendolo immediatamente attraverso molteplici uscite, il sistema crea una rete di raffreddamento multipunto con un tempo di ciclo estremamente breve.

QQ paragona questo principio a una rete logistica. Secondo loro, il vecchio modello è come trasportare merci su lunghe distanze lungo un unico percorso, con lunghi tragitti e perdite significative. MMC, invece, è come costruire centri di distribuzione in tutta la regione, facilitando lo scambio termico in loco.

Questo design non solo riduce al minimo l'attrito del fluido e la pressione della pompa, ma garantisce anche una distribuzione uniforme del fluido di raffreddamento in tutto lo spazio occupato dal chip. La dissipazione di calore localizzata e irregolare o il surriscaldamento vengono completamente eliminati, prevenendo il rallentamento o il malfunzionamento del chip.

Inoltre, anziché tentare di ridurre le dimensioni del condotto, i ricercatori hanno ottimizzato in modo intelligente una serie di parametri fondamentali come larghezza, altezza, numero e disposizione dei microcanali, nonché la portata.

Per individuare il progetto più ottimale, il team ha creato un framework di ottimizzazione multi-fedeltà. In primo luogo, gli scienziati hanno utilizzato un modello 1D ad alte prestazioni per analizzare rapidamente una serie di progetti di base, eliminando le strutture inefficienti.

In seguito, il team, utilizzando una tecnologia di simulazione 3D ad alta precisione, perfezionerà le opzioni più promettenti. Questo sistema ottimizza simultaneamente tre parametri chiave: prestazioni termiche, caduta di pressione del fluido e uniformità della temperatura su tutto il chip.

Di conseguenza, il team di ricerca ha superato completamente il problema della distribuzione non uniforme del fluido, che rappresentava il "tallone d'Achille" dei precedenti studi sulla MMC in tutto il mondo .

Durante i test, il nuovo sistema di raffreddamento ha raggiunto un coefficiente di prestazione (COP) di 106.000, una misura della quantità di calore dissipato per unità di energia consumata.

Secondo i ricercatori, questo valore è più di 10 volte superiore al precedente record mondiale, pubblicato sulla rivista Nature nel 2020. In altre parole, questa nuova innovazione è in grado di dissipare la stessa quantità di calore con solo 1/10 dell'energia richiesta dalla migliore tecnologia di raffreddamento dei chip attualmente disponibile.

Questa nuova tecnologia di raffreddamento è 10 volte più efficiente del precedente record mondiale. Foto: KAIST.

Stati Uniti - Vietnam: Non perdere

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Sorprendentemente, queste incredibili prestazioni sono del tutto indipendenti da processi produttivi di lusso o materiali costosi. La temperatura di fabbricazione del microcanale integrato è inferiore a 350 °C, il che lo rende pienamente compatibile con le attuali linee di produzione di semiconduttori su larga scala (CMOS).

Ciò elimina la necessità per le fabbriche di ristrutturare o acquistare macchinari costosi, aprendo la strada a una commercializzazione immediata.

"Con il continuo aumento delle prestazioni dei chip per l'intelligenza artificiale e la ripetizione di tecnologie avanzate di packaging elettronico, i limiti di potenza dell'hardware saranno sempre più vincolati dalla temperatura."

"Questa tecnologia di raffreddamento a liquido ad alte prestazioni diventerà la soluzione fondamentale per i futuri sistemi informatici, superando l'impasse nel bilanciare potenza di calcolo e consumo energetico", ha affermato il professor Kim Sung-jin.

Fonte: https://znews.vn/day-la-cong-nghe-lam-mat-chip-hieu-qua-gap-10-lan-post1661387.html