- جامعة واترلو تطور طريقة تبريد هجينة، تعزز كفاءة تبريد الشرائح.
- التصميم الجديد يستخدم ماءً منزوع الأيونات وسوائل تبريد باهظة الثمن، مما يقلل من تكاليف التبريد.
- اختار فريق البحث سوائل تبريد ذات نقطة غليان منخفضة، لامتصاص الحرارة بشكل فعال.
- قد تُطبق هذه التقنية في مجالات مثل السيارات الكهربائية والأجهزة عالية القدرة.
طور مهندسون من جامعة واترلو طريقة تبريد هجينة تجمع بين حمام مائي وقطرة من سائل التبريد المغلي، لتبريد النقاط الساخنة في شرائح الكمبيوتر. ووفقًا لتقرير الجامعة الصادر في 10 نوفمبر، أظهرت الاختبارات المعملية أن قطرة من سائل التبريد خفضت درجة حرارة النقاط الساخنة المحاكية بمقدار يصل إلى 30.6 درجة فهرنهايت (17 درجة مئوية) خلال 15 ثانية. تنتج مراكز البيانات التي تعمل بأحمال الذكاء الاصطناعي (AI) كميات كبيرة من الحرارة، لذا يقوم المشغلون بشكل متزايد بغمر الشرائح في سوائل التبريد. ومع ذلك، قد تظل المناطق الصغيرة من الشرائح تعمل بحرارة مرتفعة جداً خلال ثوانٍ، مما يؤدي إلى تدهور أداء الشرائح، وتقليل عمرها، وانخفاض موثوقيتها.
أشارت الجامعة إلى أن سائل التبريد المتدفق يستجيب ببطء. يقوم تصميم واترلو بفصل المهام، حيث يتعامل ماء منزوع الأيونات الرخيص مع الحرارة المستقرة، بينما تتعامل قطرة من سائل التبريد الباهظ مع ذروة الحرارة. يهدف هذا التصميم إلى استخدام سائل التبريد الباهظ فقط عندما وأينما تحتاجه الشرائح، مما قد يقلل من تكاليف التبريد في مراكز البيانات الخاصة بالذكاء الاصطناعي.
فكرة تصميم تقنية التبريد الجديدة
تعاون أستاذ الهندسة الميكانيكية والميكاترونيكس في جامعة واترلو، Sushanta Mitra، مع الباحث ما بعد الدكتوراه Tian-Yu Zhang وطلاب الدكتوراه Arnav Banerjee، لإجراء دراسة مراجعة الأقران ذات الصلة، تغطي الاختبارات التجريبية. اختار فريق البحث سائل تبريد إلكتروني ذو نقطة غليان أقل من الماء. كما أن هذا السائل أثقل، لذا لا يمتزج ويظل فوق النقاط الساخنة. قال Mitra إن الغليان يمكن أن يمتص كميات كبيرة من الحرارة، وأن الفقاعات الصاعدة تحرك الماء، مما يساعده على نقل الحرارة بشكل أسرع. وأضاف: "لقد حصلنا على تأثير الغليان، ولكن فقط في الأماكن والأوقات التي نحتاجها."
بعد ذلك، قام فريق البحث بتغليف قطرة سائل التبريد في غلاف من زيت السيليكون، حيث تساعد الجسيمات الخزفية الصغيرة الموصلة للحرارة في التحكم في سرعة غليان القطرة. وفقًا لملخص الورقة، عند تدفق حراري يبلغ حوالي 93 واط لكل بوصة مربعة (14.4 واط لكل سنتيمتر مربع)، تم تبريد مركز النقطة الساخنة بمقدار حوالي 30.6 درجة فهرنهايت خلال 15 ثانية.
التطبيقات المحتملة والتحديات
وصفت Microsoft في عام 2021 حوض تبريد غمر ثنائي الطور، حيث يغلي سائل التبريد على الخوادم. تخيل الباحثون مسارين للتوصيل. يمكن أن تتدفق قطرات سائل التبريد بحرية في الماء، وتبدأ عند وصولها إلى النقاط الساخنة؛ أو يمكن لأجهزة الاستشعار الكشف عن النقاط الساخنة، وإرسال القطرات مباشرة إلى هذه المواقع. كما أدرجت الجامعة السيارات الكهربائية، والبطاريات، والليزر عالي القدرة، وإضاءة LED كمجالات تطبيق محتملة. بينما تعمل فرق أخرى على حل هذه المشكلة داخل الشرائح. وصف الباحثون في جامعة بكين تصميم تبريد مدمج، حيث يغلي سائل عازل بالقرب من النقاط الساخنة، بينما قام الباحثون في معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا بنحت قنوات مائية في السيليكون.
توجد بعض القيود على هذه النتائج. البيانات المتعلقة بـ 30.6 درجة تنطبق على تدفق حراري محاكي على الشريحة، وليس على الخوادم التي تعمل فعليًا. لم يوضح التقرير كيفية استبدال القطرات، أو كمية سائل التبريد المطلوبة لمراكز البيانات، أو تكاليف التبريد. تم وصف مساري التوصيل فقط كتصورات. لا يزال النظام قيد التطوير، ولم يقدم التقرير جدولًا زمنيًا للاختبارات الفعلية للشرائح. تم نشر نتائج البحث ذات الصلة في المجلد 725 من مجلة العلوم الكولودية والواجهة.
إمكانات وتحديات تقنية التبريد الجديدة
تظهر تقنية التبريد الهجين من جامعة واترلو كيفية معالجة مشكلة ارتفاع حرارة الشرائح بشكل فعال في مراكز البيانات ومجالات الحوسبة عالية الأداء. من خلال دمج الماء منزوع الأيونات مع سائل تبريد محدد، لا تعزز هذه التقنية كفاءة التبريد فحسب، بل لديها أيضًا القدرة على تقليل تكاليف التشغيل. ومع ذلك، لا تزال هذه التقنية قيد التطوير، وهناك بعض التحديات التي لم تُحل بعد، مثل تكرار استبدال القطرات وكمية سائل التبريد المطلوبة. ستؤثر هذه العوامل على جدواها في التطبيقات العملية، خاصة في تشغيل مراكز البيانات الكبيرة.