Unutar silicija: Tisuće mlaznica i mikro-kanali koji spašavaju AI od taljenja

U dobu masovne primjene umjetne inteligencije (AI), usko grlo napretka više nije arhitektura čipa, već fizika njegovog hlađenja. Kako snaga modernih grafičkih procesora (GPU) raste s nekadašnjih 400W na preko 1 kW – s jasnim projekcijama industrije prema procesorima koji će trošiti nevjerojatnih 2 kW po jednom jedinom čipu – dolazi se do kritične točke.

Izvor: Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM: 
SEM slika poluljuske s utorima u siliciju koji nakon lijepljenja obje polovice tvore mikrokanal za hlađenje tekućinom. 

Dovođenje rashladnog fluida do procesora (putem cold-plate blokova) više nije dovoljno. Kako bi se spriječilo toplinsko degradiranje, inženjeri moraju uvesti hlađenje unutar samog čipa. 

Dobrodošli u eru mikrofluidike i preciznog mlaznog hlađenja na razini tranzistora.

U tradicionalnim sustavima tekućinskog hlađenja, toplina mora proći dugačak i termički neučinkovit put. Ona putuje s aktivnih tranzistora na silicijskoj pločici, prolazi kroz termičku pastu (TIM - Thermal Interface Material), ulazi u bakreni poklopac čipa (Integrated Heat Spreader), pa kroz još jedan sloj paste stiže do bakrenog bloka kroz koji teče voda.

Svaki taj sloj predstavlja takozvani termički otpor, pa klasični vanjski bakreni blokovi jednostavno ne mogu dovoljno brzo "usisati" tu količinu topline kroz sve navedene barijere, što dovodi do lokalnih žarišta (hotspots) i automatskog rušenja takta procesora.

Mikrofluidika (Embedded Cooling): Voda teče kroz silicij

Rješenje koje razvijaju tehnološki divovi u suradnji s rashladnim stručnjacima poput Vertiva jest ugrađeno hlađenje (embedded cooling) kroz mikrofluidiku. Umjesto postavljanja hladnjaka na čip, znanstvenici su počeli integrirati rashladne kanale izravno u poleđinu čipa.

U laboratorijskim testovima rezultati ovog pristupa su fascinantni:

Smanjenje toplinskog otpora: Eliminacijom termičkih pasti i bakrenih poklopaca, toplinski otpor unutar paketa smanjen je za 44%.

Ekstremni overclocking: Procesor je uspio stabilno raditi na dvostruko većoj snazi od tvornički propisanog maksimuma (skok na 215W) dok je temperatura silicija ostala duboko unutar sigurnosnih granica.

Projekt COOLERCHIPS i tehnologija tisuću mlaznica

Kolika je važnost ovog problema na geopolitičkoj i tehnološkoj razini pokazuje i angažman američke vlade kroz program COOLERCHIPS (pod okriljem agencije ARPA-E). Cilj ovog programa je razvoj rashladnih sustava koji mogu podnijeti računalnu infrastrukturu sljedeće generacije uz drastično smanjenje energetskog otiska.

Izazov s fluidima: Kraj jednofaznog hlađenja?

Dizajniranje sustava za čipove od 2 kW otvara i pitanje izbora rashladnog medija. Dok jednofazno hlađenje (gdje voda ili dielektrična tekućina ostaju u tekućem stanju) nudi jednostavnost i pouzdanost kroz komercijalne sustave, industrija intenzivno istražuje i dvofazne sustave (two-phase cooling). U dvofaznim sustavima tekućina na površini čipa doslovno proključa i prelazi u paru, koristeći latentnu toplinu isparavanja za ekstremno odvođenje energije.

Međutim, prelazak na dvofazne sustave u masovnim podatkovnim centrima suočava se s ozbiljnim izazovom: regulativom oko PFAS kemikalija (tzv. "vječnih kemikalija" koje se koriste u fluidima za ključanje).

Analitički zaključci i pretpostavke o budućnosti

Zaključak na temelju analize: Hlađenje AI hardvera uspješno se pomaknulo s razine zgrade (infrastrukture) na razinu unutar kućišta procesora. Svaki napredak u smanjenju termičkog otpora na samom izvoru topline (unutar silicija) izravno rasterećuje primarni i sekundarni rashladni krug podatkovnog centra. Povećanjem učinkovitosti prijenosa topline unutar čipa, operaterima postaje znatno lakše održavati dogovoreni standard od 30 °C ili čak 40 °C na ulazu u poslužitelje, čime se dugoročno osigurava stabilnost PUE (Power Usage Effectivness) faktora u cijeloj industriji.

Pretpostavka o razvoju tržišta (Dualni poslovni modeli): Na temelju najava vodećih proizvođača čipova poput Intela, može se pretpostaviti da će era u kojoj su procesori i rashladni sustavi bili potpuno odvojeni proizvodi ubrzo završiti. U idućim generacijama AI hardvera, proizvođači silicija najvjerojatnije će na tržište plasirati procesore integrirane i zapakirane zajedno s njihovim vlastitim, tvornički ugrađenim mikrofluidičkim sustavima ili cold-plate modulima. Proizvođači čipova tako preuzimaju ulogu dizajnera hlađenja na mikro-razini, dok će kompanije poput Vertiva isporučivati robusnu eksternu infrastrukturu (CDU jedinice, pametne petlje i kontrolere fluktuacije) koja te čipove opskrbljuje fluidom i upravlja energijom na makro-razini.

Izvor informacija za analizu:

• DCD & Vertiv (Zajednički specijalni prilog): [The Future of Cooling Supplement – Preparing for a high-density data center (Chapters: Inside microfluidics, Precision cooling, Why Intel is getting into cooling)]

• Vertiv (Službeni blog): [Vertivov službeni blog: A roadmap for the future chip coolant temperature]

---

Odricanje od odgovornosti (Disclaimer) i izjava o nepovezanosti: Sadržaj objavljen na domeni pantheon.eco neovisan je i služi isključivo u informativne i edukativne svrhe. Ovaj portal, njegov vlasnik i domena ni na koji način NISU povezani, sponzorirani, ovlašteni niti pravno povezani sa sličnim platformama, niti bilo kojom drugom tvrtkom, komercijalnim podatkovnim centrom ili registriranim žigom (trademarkom) koji koristi naziv "Pantheon". Naziv "Pantheon" na ovoj domeni koristi se isključivo u svom izvornom, generičkom i opisnom značenju.

Izneseni zaključci i kombinacije podataka predstavljaju autorska promišljanja i pretpostavke utemeljene na javno dostupnim informacijama te se ne mogu smatrati službenim savjetima. Autor ne preuzima odgovornost za postupke trećih strana proizašle iz tumačenja sadržaja na ovom portalu.

Autorska prava i vizualni identitet: Cjelokupan sadržaj na ovom portalu, uključujući tekstove, analize te vizualni identitet (logotip) Pantheon Eco, vlasništvo je ovog bloga. Prenošenje, preuzimanje ili korištenje tekstova, njihovih dijelova ili vizualnih elemenata dopušteno je isključivo uz prethodnu suglasnost autora, uz obavezno navođenje izvora i aktivnu poveznicu (link) na izvorni članak.