Современные высокопроизводительные чипы — это настоящие чудеса инженерной индустрии, содержащие десятки миллиардов транзисторов. Проблема в том, что использовать их все одновременно невозможно. Если бы это было возможно, на крошечных участках возникли бы «горячие точки» — области с экстремально высокой температурой, с плотностью мощности, сравнимой с очень интенсивным локальным источником энергии. Это и породило парадокс, известный как «темный кремний» — термин, придуманный компьютерными архитекторами для обозначения части чипа, которая вынужденно остаётся отключённой. Сегодня до 80 процентов транзисторов на современном чипе должны быть «тёмными» в любой момент, чтобы предотвратить перегрев. Мы строим суперкомпьютеры на крошечном куске кремния, но используем лишь малую часть их потенциала. Это всё равно что возвести небоскрёб, а жить только на первых десяти этажах.

Долгие годы индустрия пыталась бороться с термическим ограничением с помощью больших вентиляторов и сложных систем жидкостного охлаждения. Но все эти методы — лишь временные решения. Независимо от того, используется ли воздух или жидкость, принцип один: тепло отводится от поверхности чипа. Прежде чем достичь охлаждающей пластины, оно проходит через кремний, создавая тепловое узкое место, которое невозможно устранить при высокой плотности мощности будущих чипов. Горячие точки современных микросхем выделяют десятки ватт на квадратный миллиметр и появляются в разных местах чипа в разное время во время вычислений. Воздушное и жидкостное охлаждение неспособны точно сосредоточиться именно на них — можно лишь охлаждать весь чип целиком, надеясь на эффективность в среднем.

Сотрудники стартапа Maxwell Labs из Сент-Пола, штат Миннесота, предлагают радикально новый подход: а что если вместо того, чтобы просто перемещать тепло, сделать так, чтобы оно исчезало? Их технология, называемая фотонным охлаждением, способна преобразовывать тепло напрямую в свет, охлаждая чип изнутри. Полученная энергия может быть частично восстановлена и повторно использована в виде полезной электроэнергии. С помощью этого подхода, вместо того чтобы охлаждать весь чип равномерно, можно воздействовать на горячие точки с высокой точностью по мере их появления. По задумке разработчиков, такая техника способна охлаждать локальные участки намного эффективнее, чем современные методы, потенциально открывая новые возможности для будущих высокопроизводительных чипов.

Физика охлаждения с помощью света

Лазеры обычно ассоциируются с выделением тепла — и на это есть веские причины: их часто используют для резки материалов или передачи данных. Но при определённых условиях свет лазера может вызывать охлаждение. Секрет кроется в люминесцентном процессе, известном как флуоресценция.

Флуоресценция знакома нам из повседневной жизни: это яркое свечение, которое мы видим у флуоресцентных маркеров, коралловых рифов или белой одежды под ультрафиолетовой лампой. Материалы поглощают высокоэнергетический свет — обычно ультрафиолетовый — и излучают его в виде света с более низкой энергией, чаще всего в видимом спектре. При этом разница в энергии обычно идёт на нагревание материала.

Однако при строго определённых условиях может произойти обратный эффект: материал поглощает низкоэнергетические фотоны и излучает свет с более высокой энергией, охлаждаясь в процессе. Именно эта редкая и тонко управляемая физика лежит в основе концепции фотонного охлаждения, которую исследует стартап Maxwell Labs.

Повторное излучение имеет более высокую энергию, потому что оно объединяет энергию поглощённых фотонов с фононами — колебаниями кристаллической решётки материала. Этот процесс называется антистоксовым охлаждением. Впервые его продемонстрировали в твёрдом теле в 1995 году, когда группа учёных охладила образец фторидного стекла, легированного иттербием, с помощью лазерного света.

Выбор иттербия был обусловлен его электронными свойствами: антистоксовое охлаждение эффективно только в тщательно спроектированных материалах. Поглощающий материал должен быть устроен так, чтобы почти каждый фотон вызывал излучение фотона с более высокой энергией. В противном случае другие механизмы приведут к нагреву. Ионы иттербия и некоторых других лантаноидов имеют подходящую структуру энергетических уровней для реализации этого процесса. При освещении лазером в узком диапазоне длин волн ионы поглощают падающий свет и используют фононы для генерации более высокоэнергетических фотонов. Эти фотонные «носители тепла» должны быстро покидать материал, иначе повторное поглощение приведёт к нагреву.

В лабораторных условиях удалось достигнуть охлаждающей мощности до 90 Вт в кварцевом стекле, легированном иттербием. Несмотря на это, для применения к высокопроизводительным чипам требуется увеличить мощность охлаждения на несколько порядков. Для этого планируется интегрировать механизм фотонного охлаждения в тонкоплёночные фотонные пластины размером с чип. Миниатюризация позволяет точнее воздействовать на горячие точки с помощью узконаправленного лазера и повышает эффективность охлаждения. Более тонкий слой снижает вероятность повторного поглощения света внутри материала, предотвращая нагрев. Кроме того, разработка материалов с характеристиками на уровне длины волны света позволяет увеличить поглощение входящего лазерного излучения и повысить эффективность процесса.

Технология фотонных холодных пластин

В лаборатории разрабатывается способ использования фотонного охлаждения для решения проблемы перегрева современных и будущих процессоров и графических процессоров. Фотонная холодная пластина предназначена для обнаружения областей с повышенной плотностью мощности — так называемых горячих точек — и последующего точного направления света на близлежащие области для их охлаждения до заданной температуры.

Фотонная холодная пластина состоит из нескольких компонентов:

• Соединитель, который направляет входящий лазерный свет к другим компонентам пластины и одновременно выводит флуоресцентный свет;

• Область микроохлаждения (экстрактор), где происходит антистоксовская флуоресценция и фактически реализуется охлаждение;

• Задний отражатель, предотвращающий попадание света обратно на сам чип и нежелательный нагрев электроники;

• Датчик, который обнаруживает горячие точки по мере их появления, позволяя направлять лазер точно на них.

Лазер фокусируется на целевой области через соединитель, своего рода линзу, которая направляет свет на экстрактор. В этом слое тонкая специально легированная пленка поглощает энергию лазера и использует её для стимуляции антистоксовской флуоресценции. Таким образом тепло извлекается из горячей точки и уносится в виде фотонов.

Охлаждение происходит только там и тогда, где свет направлен на пластину, что позволяет нацеливаться на горячие точки по мере их появления на чипе. Точный дизайн всей системы требует учёта множества параметров: формы соединителя, состава и уровня легирования экстрактора, толщины и количества слоев заднего отражателя. Для оптимизации используется мультифизические симуляции и инструменты обратного проектирования, позволяющие исследовать огромное пространство параметров и повышать плотность охлаждающей мощности на несколько порядков.

В сотрудничестве с партнёрами из Университета Нью-Мексико, Университета Св. Томаса и Национальных лабораторий Сандия ученые стартапа создают демонстрационную версию фотонного охлаждения в лаборатории в Сент-Поле. Они собирают массив небольших фотонных холодных пластин размером 1 мм², размещаемых на различных процессорах. Внешняя тепловизионная камера обнаруживает горячие точки на чипах, и лазер направляется на пластину над этой точкой для извлечения тепла.

В первой версии пластины использовалось легирование ионами иттербия, но сейчас экспериментируют с другими легирующими примесями, которые могут повысить производительность.

В предстоящей интегрированной реализации демонстрации пластины будут состоять из более мелких плиток размером около 100 × 100 микрометров. Вместо лазера в свободном пространстве свет будет направляться на эти плитки с помощью фотонной сети на чипе. Активные плитки будут определяться положением и временем появления горячих точек, измеряемых датчиком.

В конечном итоге стартап надеется сотрудничать с производителями процессоров, чтобы интегрировать фотонные холодные пластины в корпус чипа, приближая экстрактор к горячим точкам и значительно увеличивая охлаждающую способность системы.

Чип с лазерным охлаждением и центр обработки данных

Чтобы оценить потенциал технологии фотонного охлаждения в современных и будущих центрах обработки данных, ученые проанализировали её взаимодействие с традиционными воздушными и жидкостными системами охлаждения. Предварительные результаты показывают, что даже система первого поколения лазерного охлаждения способна рассеивать в два раза больше энергии, чем обычные методы. Такое радикальное улучшение охлаждающей способности открывает путь к существенным изменениям в архитектуре чипов и центров обработки данных будущего.

Первое преимущество лазерного охлаждения — оно может устранить проблему «темного кремния». Благодаря эффективному отводу тепла из горячих точек по мере их возникновения, фотонное охлаждение позволяет одновременно использовать больше транзисторов на чипе. Это значит, что все функциональные блоки могут работать параллельно, максимально используя потенциал современных процессоров.

Второе преимущество — возможность более высоких тактовых частот. Технология может поддерживать температуру чипа ниже 50 °C в горячих точках, тогда как у процессоров текущего поколения температура в горячих точках достигает 90–120 °C. Снижение температуры узловых участков позволяет увеличить тактовую частоту без изменения плотности транзисторов, что создаёт необходимый запас для продолжения прогресса закона Мура.

Третье преимущество — лазерное охлаждение делает 3D-интеграцию термически управляемой. Поскольку система точно определяет горячие точки, она может более эффективно отводить тепло от каждого слоя 3D-стека. Добавление фотонной охлаждающей пластины к каждому слою обеспечивает равномерное охлаждение всего стека, что значительно упрощает проектирование 3D-чипов.

Четвёртое преимущество — повышение общей энергетической эффективности. Лазерное охлаждение позволяет поддерживать равномерную температуру чипа и снижает потребление энергии конвективными системами охлаждения. Наши расчёты показывают, что в сочетании с воздушным охлаждением возможно сократить энергопотребление более чем на 50 % для современных чипов, а для будущих поколений экономия будет ещё выше.

Кроме того, лазерное охлаждение открывает новые возможности для рекуперации энергии. В отличие от воздушного или жидкостного охлаждения, где энергия может быть частично использована для отопления зданий, при фотонном охлаждении свет, излучаемый антистоксовской флуоресценцией, может быть собран оптоволоконными кабелями и преобразован в электричество с помощью термофотовольтаика, обеспечивая до 60 % восстановления энергии.

Благодаря этому принципиально новому подходу к охлаждению мы можем переписать правила проектирования чипов и центров обработки данных. Ученые считают, что фотонное охлаждение может стать ключевым фактором для продолжения действия закона Мура и значительного снижения энергопотребления центров обработки данных, что открывает путь к новой эре вычислительных возможностей.

Путь к фотонному охлаждению

Хотя результаты уже выглядят обнадёживающе, прежде чем технология фотонного охлаждения станет коммерческой реальностью, предстоит решить ряд задач. Материалы, которые используются в фотонных охлаждающих пластинах, отвечают базовым требованиям, но разработка более эффективных материалов для лазерного охлаждения позволит повысить производительность системы и сделает её экономически более привлекательной. На сегодняшний день исследовано лишь несколько материалов, очищенных до степени, достаточной для лазерного охлаждения.

Предполагается, что миниатюризация фотонных пластин, в сочетании с прогрессом в оптической инженерии и обработке тонкоплёночных материалов, окажет на эту технологию такое же революционное влияние, как когда-то на транзисторы, солнечные батареи и лазеры.

Для максимизации преимуществ технологии необходимо совместное проектирование процессоров, корпусов и систем охлаждения, что потребует тесного взаимодействия между традиционно разрозненными участниками полупроводниковой экосистемы. Стартап активно сотрудничает с партнёрами из отрасли, чтобы облегчить этот процесс совместного проектирования.

Переход от лабораторных установок к крупносерийному коммерческому производству потребует разработки эффективных технологических процессов и специализированного оборудования. Масштабирование технологии потребует внедрения новых стандартов для оптических интерфейсов, протоколов безопасности и показателей производительности.

Несмотря на оставшиеся задачи, Maxwell Labs не видит фундаментальных препятствий для широкомасштабного внедрения фотонного охлаждения. Как Maxwell Labs видит свой рост:

• До 2027 года технология может быть внедрена в высокопроизводительных вычислительных кластерах и кластерах для обучения искусственного интеллекта, демонстрируя рост эффективности на ватт охлаждения примерно в 10 раз;

• С 2028 по 2030 год ожидается внедрение в основных центрах обработки данных, с сокращением энергопотребления ИТ на 40 % при удвоении вычислительной мощности;

• После 2030 года повсеместное внедрение технологии — от гипермасштабных систем до периферийных устройств — создаст новые вычислительные парадигмы, ограниченные не тепловыми барьерами, а эффективностью алгоритмов.

На протяжении более двух десятилетий полупроводниковая промышленность сталкивалась с угрозой «темного кремния». Фотонное охлаждение предлагает не просто решение этой проблемы, но и принципиальное переосмысление взаимосвязи между производительностью, вычислениями и энергией. Преобразуя отработанное тепло напрямую в фотоны, а затем обратно в электричество, технология превращает управление тепловым режимом из вынужденной меры в ценный ресурс.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?