الماس والليزر: الإدارة الحرارية للرقائق

الماس والليزر والنفط ليست أول الأشياء التي قد تفكر فيها عند التفكير في طرق للحفاظ على برودة الرقائق وأجهزة الكمبيوتر. ولكن مع قيام تصميمات الرقائق الحديثة بتعبئة وتكديس المزيد من الترانزستورات في مساحات أصغر من أي وقت مضى، ظهرت الحرارة كمشكلة حرجة.

ولحل هذه المشكلة، ترمي صناعة أشباه الموصلات كل شيء إلى الحائط. إن ما يمكن أن يساعد في توسيع نطاق ليس فقط مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، بل أيضًا مجموعة من التطبيقات في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، والاتصالات، والمعدات العسكرية.

كما أوضح لي كبير المحررين صامويل ك. مور بين قضمات شطيرة اللسان الباردة في 2nd Ave Deli، بالقرب من IEEE نطاقفي مكتبنا، تعد الإدارة الحرارية الأفضل أمرًا ضروريًا لعقد الجيل التالي.

قال مور، الذي عمل في مجال أشباه الموصلات على نحو متقطع لمدة ربع قرن: «بينما نبدأ في صنع المزيد من الرقائق ثلاثية الأبعاد، تزداد مشكلة الحرارة سوءًا».

لإعداد التقرير الخاص في هذا العدد، تعاون مور مع المحرر المساعد دينا جينكينا، التي تشرف على تغطيتنا الحاسوبية. لقد تحدثوا إلى المهندسين في مؤتمرات IEEE مثل IEDM وSupercomputing حول كيفية قيام التقنيين بالتخلص من الحرارة بطرق جديدة ومثيرة للدهشة.

“بينما نبدأ في صنع المزيد من الرقائق ثلاثية الأبعاد، تصبح مشكلة الحرارة أسوأ بكثير.” – صامويل ك. مور

الخطوة الأولى لحل مشكلة هندسية هي وصفها بدقة. في كتابه «هل ستتسبب الحرارة في انهيار قانون مور؟»، يصف جيمس مايرز، من شركة Imec في كامبريدج بإنجلترا، كيف سيكون للترانزستورات التي ستدخل مرحلة الإنتاج التجاري في ثلاثينيات القرن الحالي كثافة طاقة ترفع درجات الحرارة بمقدار 9 درجات مئوية. وفي مراكز البيانات حيث يتم تكديس الرقائق الساخنة معًا بالملايين، قد تؤدي هذه الزيادة إلى إغلاق الأجهزة أو المخاطرة بأضرار دائمة.

في كتاب “الجيل القادم من الذكاء الاصطناعي يحتاج إلى تبريد سائل”، يأخذ جينكينا القراء في رحلة عميقة إلى أربعة متنافسين للتغلب على هذه الحرارة بالسوائل: ألواح باردة مع خليط من الماء والجليكول متصل مباشرة بالرقائق الأكثر سخونة؛ نسخة من تلك التقنية حيث يغلي سائل عازل متخصص ويتحول إلى بخار؛ وتغطيس خوادم كاملة في خزانات مملوءة بالزيت العازل؛ ونفعل الشيء نفسه في خزانات السائل العازل المغلي.

وعلى الرغم من أن التبريد السائل يعمل بشكل جيد، “إلا أنه أيضًا أكثر تكلفة ويؤدي إلى نقاط فشل إضافية”، كما حذر مور. “ولكن عندما تستهلك كيلووات وكيلوواط في مثل هذه المساحة الصغيرة، فإنك تفعل ما عليك القيام به.”

على الرغم من أن الخوادم في الزيت المغلي قد تبدو مذهلة، إلا أن المقالتين الأخريين في هذا العدد تركزان على تقنيات التبريد الأكثر جذرية. يتضمن أحدهما استخدام الليزر لتبريد الرقائق. تتضمن هذه التقنية، التي أوضحها جاكوب بالما وأليخاندرو رودريغيز من شركة ماكسويل لابز الناشئة في مينيسوتا، تحويل الفونونات (اهتزازات في شبكة بلورية تحمل الحرارة) إلى فوتونات يمكن نقلها عبر الأنابيب. ويؤكد المؤلفون أن تقنيتهم ​​”يمكن أن تستهدف النقاط الساخنة أثناء تشكلها، بدقة الليزر”.

في هذه الأثناء، يتخذ سرابانتي شودري من جامعة ستانفورد نهجا شاملا في التعامل مع مشكلة الحرارة، حيث يقوم بتغليف الترانزستورات في فيلم من الماس متعدد البلورات. لقد تطورت تكنولوجيا فريقها بسرعة ملحوظة، حيث خفضت درجات حرارة نمو طبقة الألماس من 1000 درجة مئوية إلى أقل من 400 درجة مئوية، مما يجعلها متوافقة مع تصنيع CMOS القياسي.

لا يأتي أي من هذه الحلول بثمن رخيص، وبالتالي فإن مستقبل الرقائق سيكون مكلفًا ومثيرًا للاهتمام. ربما لا يزعج هذا شركات الذكاء الاصطناعي الكبرى التي تجلس على أكوام ضخمة من أموال المستثمرين. وكما أشار مور أثناء صقله للمخلل، فإن “طلب الذكاء الاصطناعي على الرقائق غير محدود إلى حد ما، لذا يتعين عليك القيام بأشياء لم تكن لتفكر في القيام بها من قبل وابتلاع النفقات.”