Охладить CPU в ЦОД — поможет лазерная 3D-печать
В Университете Бингемтон (Нью-Йорк) разработали новую технологию для охлаждения процессоров, которая позволит отказаться от термопасты. Теплопроводящий материал наносится прямо на поверхность чипа при помощи 3D-печати. По оценкам экспертов, их решение способно понизить рабочую температуру процессоров в дата-центрах на 10°C.
Расскажем о технологии и поговорим о других экспериментальных методах охлаждения CPU.
/ фото artistic bokeh CC BY-SA
Как напечатать «металлическую термопасту»
Разработчики технологии нанесли на кристалл процессора тонкий слой металлического сплава с высокой теплопроводностью и с помощью лазера «напечатали» в нем каналы для охлаждающей жидкости. Для этого использовался метод селективного лазерного спекания.
На кремниевой поверхности равномерно распределяется слой металлического порошка. Затем включается лазер и луч, направляемый подвижными зеркалами, сплавляет частицы между собой согласно сгенерированной 3D-модели. Процедура повторяется множество раз — на каждой итерации формируются различные срезы финального изделия. Само лазерное спекание происходит менее чем за секунду.
Сплав, который наносят на чип, состоит из титана, олова и серебра. Последние два нужны для снижения температуры плавления материала. Таким образом, металл дольше остается в жидком состоянии, что помогает избежать деформации слоя из-за резкого затвердевания.
Селективное лазерное спекание позволило сформировать металлический слой толщиной в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Это дает возможность охлаждающей жидкости забирать излишки тепла прямо с чипа и исключает необходимость в термопасте.
Что может эта технология
Специалистам удалось получить сплав с теплопроводностью в 39 Вт/(м•K), что в семь раз лучше, чем у других материалов для термоинтерфейсов — термопаст или полимерных компаундов. Это позволило снизит температуру чипа на 10°C, по сравнению с другими системами охлаждения.
Новая технология призвана решить две задачи: снизить затраты на электроэнергию в дата-центрах и продлить срок службы процессоров (так как они будут меньше перегреваться). По словам разработчиков, изобретение сократит энергопотребление мировых ЦОД на 5% и позволит ИТ-индустрии экономить до 438 миллионов долларов ежегодно.
Пока технологию испытали только в лабораторных условиях и неизвестно, как она будет работать в реальных дата-центрах. Однако уже в ближайшее время исследователи планируют запатентовать свою технологию и провести необходимые тесты.
Кто еще экспериментирует с охлаждением чипов
Не только в Университете Бингемтон работают над технологиями охлаждения чипов. Их коллеги из Калифорнийского университета впервые синтезировали сверхчистые кристаллы арсенида бора, обладающие высокой теплопроводностью. Полученное значение приблизилось к 1300 Вт/(м•K), в то время как у алмаза (который считается одним из рекордсменов по теплопроводности) она составляет 1000 Вт/(м•K).
Новая технология позволит создавать эффективные системы отвода тепла в электронике и фотонике. Однако для этого нужно решить ряд задач. Арсенид бора сложно получать в промышленных масштабах — при синтезе кристаллов часто возникают дефекты, а в производстве материала используются токсичные соединения мышьяка.
Исследователи из Калифорнийского университета тоже работают над решением проблемы отведения тепла от процессоров. Они предложили изменить структуру самого чипа. Идея состоит в том, чтобы создать такую структуру кристалла кремния, в которой фононы (квазичастицы, осуществляющие передачу тепла) будут переносить тепло с максимальной скоростью.
Их технология получила название «дырчатого кремния». В плате просверливаются крошечные отверстия диаметром в 20 нм, которые ускоряют теплоотведение. В случае с оптимальным расположением отверстий, теплопроводность кремниевой пластины возрастает на 30%.
Этот способ пока далек от реализации — готова лишь модель. Следующий шаг — изучить потенциал технологии и возможность применения в реальных системах.
/ фото PxHere PD
Что дальше
До практической реализации новых технологий теплоотведения пока далеко. Все они находятся или на стадии концепции, или на стадии прототипирования. Хотя они обладают хорошим потенциалом, о широком их внедрении на рынке ЦОД говорить пока не приходится.
По этой причине сейчас дата-центры экспериментируют с другими способами охлаждения. Один из последних трендов — жидкостное охлаждение. По данным опроса Uptime Institute, технологию уже внедрили 14% дата-центров по всему миру. Эксперты ожидают, что в будущем этот показатель вырастет из-за повышения плотности оборудования в ЦОД. Так как при большом количестве рядом стоящих серверов охлаждение воздухом затрудняется.
Ещё одна тенденция — системы ИИ для управления кондиционирующими установками дата-центра. По оценке исследовательских организаций, около 15–25% ЦОД уже используют такие алгоритмы машинного обучения. И ожидается, что в будущем популярность интеллектуальных технологий в ЦОД будет только увеличиваться.
P.S. Материалы из нашего корпоративного блога:
P.S. У нас есть Telegram-канал, где мы пишем о технологиях виртуализации и IaaS:
