Лазерное охлаждение чипов: отводим тепло в энергию

Стартап Maxwell Labs при поддержке Sandia National Laboratories работает над новой технологией, которая позволит охлаждать высокопроизводительное вычислительное оборудование с помощью лазеров, сообщает The Register.

Поскольку рассеивание тепла стало серьезной проблемой для современных центров обработки данных, в последние годы были опробованы и внедрены различные методы охлаждения. В течение многих лет отрасль полагалась на воздушное охлаждение; затем крупные компании начали экспериментировать с жидкостным охлаждением, пробовали как охлаждение теплой водой, так и охлаждение холодной водой, тестировали иммерсионное охлаждение и даже планировали внедрить его в ближайшие годы. Есть одна вещь, которая еще не использовалась для охлаждения: лазеры. Тем не менее, лазеры можно использовать для отвода тепла от процессоров. Но есть одна загвоздка.

Новый подход

Стартап Maxwell Labs при поддержке Sandia National Laboratories работает над новым способом охлаждения высокопроизводительного вычислительного оборудования, сообщает The Register. В этой технологии используются специальные холодные пластины из сверхчистого арсенида галлия (GaAs), которые охлаждаются при попадании на них сфокусированных пучков когерентного лазерного света определенной длины волны. Вместо нагрева, что является обычным явлением в большинстве взаимодействий с участием интенсивных световых пучков, эта тщательно спроектированная установка позволяет полупроводнику отводить тепло в определенных местах благодаря высокой подвижности электронов GaAs. Этот метод обещает помочь традиционным системам охлаждения, а не заменить их.

Для реализации этого в практических приложениях полупроводники GaAs структурированы в тонкие компоненты, размещенные непосредственно на высокотемпературных участках процессоров. Микроскопические узоры внутри полупроводника направляют когерентные лучи точно в эти горячие точки, что приводит к высоколокализованному охлаждению, что обеспечивает эффективность за счет прямого управления теплом именно там, где оно становится проблематичным, вместо того, чтобы пытаться использовать GaAs и лазеры для охлаждения всей системы. Эта техника имеет корни в более ранних исследованиях: еще в 2012 году в Копенгагенском университете они охладили крошечную мембрану до -269 °C, используя аналогичный метод, согласно отчету.

Кроме того, эта технология предлагает уникальную возможность: по словам Максвелла, она может возвращать энергию, отведенную в виде тепла. Вместо того, чтобы рассеиваться в окружающей среде, тепловая энергия, извлеченная из чипов, может быть испущена в виде пригодных для использования фотонов, которые можно преобразовать обратно в электрическую энергию. Хотя это, безусловно, повышает общую энергоэффективность вычислительных систем, эффективность процесса еще предстоит выяснить.

Экстремальные затраты и производственные проблемы

Хотя подход к использованию полупроводников GaAs для охлаждения, безусловно, является инновацией, он связан с чрезвычайными проблемами как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения технологичности.

Во-первых, производство сверхчистых пластин GaAs требует сложных энергоемких технологий, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или химическое осаждение из паровой фазы металлорганических соединений (MOCVD). Поскольку мы имеем дело со сверхчистыми кристаллическими слоями, уровень дефектов может быть высоким, что влияет на стоимость. В настоящее время 200-миллиметровая пластина из GaAs может стоить около 5000 долларов, в то время как кремниевая пластина того же размера может стоить всего 5 долларов, согласно WaferWorld.

Транзисторы GaAs не могут быть бесшовно интегрированы в традиционные кремниевые чипы на одной пластине. Однако, если кто-то хочет использовать транзисторы GaAs для охлаждения традиционных чипов (или, скорее, чиплетов), он может использовать гетерогенную 3D-интеграцию или соединение пластин, которые являются хорошо известными методами для систем, использующих кремниевую фотонику. Хотя эти методы довольно дороги, они не такие дорогие, как пластины GaAs сами по себе.

Ранняя фаза

В настоящее время концепция остается на экспериментальной и модельной стадии. По словам генерального директора Maxwell Labs Джейкоба Балмы, моделирование показывает, что метод является многообещающим, но он никогда не был подтвержден в физических испытаниях, поскольку тестирование до сих пор ограничивалось отдельными компонентами, а не полной установкой.

Говоря о полной установке, Maxwell Labs рассчитывает завершить функционирующий прототип к осени 2025 года. Интересно, что Maxwell уже нашел ранних последователей для своей первой версии, названной MXL-Gen1, и планирует поставлять начальные системы в течение следующих двух лет. Более широкий доступ прогнозируется к концу 2027 года, если разработка будет идти по графику.

Источник: Tomshardware.com