Анатомия человека подсказала перспективный способ охлаждения чипов — им просто нужна «кровеносная система»

Ускорители для работы с ИИ быстро подняли тепловыделение чипов до 500 Вт и выше, что создаёт дополнительные вызовы для архитектуры и системы теплоотвода вычислительных платформ. Классические радиаторы с рёбрами и радиаторы с прямыми каналами для прокачки хладагента уже не справляются с задачей отвода тепла. Необходимы прорывные решения, которые, как ни странно, можно найти в живой природе и даже в организме человека.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

В последние годы индустрия активно экспериментировала со встроенным прямо в кремний микроканальным охлаждением и нашла его перспективным, но проблемным. Прокачивая хладагент по микроканалам в непосредственной близости от работающего кристалла, можно действительно повысить эффективность теплоотвода. Такой подход также устраняет необходимость в переходных элементах между чипом и системой охлаждения, снижая тепловое сопротивление и повышая скорость рассеивания тепла. Однако эксперименты показали, что остаются проблемы с перепадом давления в системе распределения хладагента, что приводит к появлению точек перегрева и зон с резкими температурными скачками.

Группа учёных из нескольких компаний, включая специалистов Microsoft, изучила возможность создания микроканалов в кремнии, имитирующих иерархическую структуру кровеносных сосудов человека. Как известно, кровеносная система не только питает организм, но и участвует в терморегуляции. Эксперименты показали, что аналогичный подход применительно к охлаждению кремниевых чипов даёт превосходные результаты.

Более того, кремниевые чипы изначально можно проектировать с уникальной структурой «артерий, вен, сосудов и капилляров», что позволит эффективнее охлаждать зоны с высоким тепловыделением и не перегружать системой охлаждения менее нагруженные участки. Это поможет сбалансировать теплоотвод и повысить надёжность работы процессоров.

Учёные доказали, что имитация кровеносной системы в кремниевых чипах снижает температуру в самых горячих точках процессора на 18 °C, а также уменьшает давление в системе охлаждения более чем на 67 %, что снижает нагрузку на помпы и увеличивает срок службы системы. Кроме того, был зафиксирован трёхкратный спад температурного разброса между ядрами процессора по сравнению с традиционными методами охлаждения.

На основе полученных данных исследователи пришли к выводу, что классическая технология КМОП-производства микросхем позволяет наращивать вычислительную мощность, удерживая перегрев в допустимых пределах.