Đây là công nghệ làm mát chip hiệu quả gấp 10 lần

Các trung tâm dữ liệu AI thường được ví như những “con quái vật ngốn điện” do quá trình tính toán AI tiêu thụ năng lượng khổng lồ và sinh ra nhiệt lượng liên tục, kéo theo hệ thống tản nhiệt cũng phải tiêu tốn một lượng điện năng tương đương.

Sự phát triển vũ bão của các mô hình lớn và AI tạo sinh khiến hiệu suất chip tăng vọt, mật độ tích hợp dày đặc hơn, kéo theo lượng nhiệt tỏa ra trên mỗi đơn vị diện tích tăng theo cấp số nhân.

Tuy nhiên, các phương pháp làm mát bằng quạt gió truyền thống hay tấm tản nhiệt đồng ốp ngoài hiện nay đã tiến sát giới hạn vật lý và không thể đáp ứng nhu cầu giải nhiệt liên tục. Tản nhiệt cho các hệ thống có mật độ dòng nhiệt siêu cao vì thế đang là bài toán cốt lõi kìm hãm sự phát triển của năng lực điện toán cao cấp.

Tích hợp trực tiếp vào Silicon

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã đi sâu vào công nghệ quản lý nhiệt cấp độ chip.

Các bo mạch chủ máy chủ trung tâm dữ liệu được làm mát bằng cách ngâm trong chất lỏng trơ. Nguồn: Green Revolution Cooling.

Ý tưởng sẽ là chế tạo một hệ thống tản nhiệt chất lỏng hiệu quả và được nhúng trực tiếp vào bên trong chip, mang đến một giải pháp hoàn toàn mới.

Sau thời gian nghiên cứu, nhóm liên ngành do Giáo sư Kim Sung-jin (Khoa Kỹ thuật Cơ khí) và Giáo sư Lee Ik-jin (Trí tuệ Nhân tạo và Máy tính) dẫn dắt đã vượt qua thách thức tản nhiệt cho các chip siêu tải.

Cụ thể, ưu điểm thực tiễn lớn nhất của công nghệ này là có thể trực tiếp sử dụng nước sạch, ở nhiệt độ thường như một chất làm mát, hạ nhiệt chính xác cho các chip bán dẫn đang hoạt động dưới tải trọng cao mà không cần phụ thuộc vào nước nhiệt độ thấp hay các dung dịch làm lạnh đặc chủng.

Theo nhóm nghiên cứu, điểm mấu chốt là nhúng trực tiếp các ống dẫn vi kênh, với đường kính còn nhỏ hơn nhiều so với sợi tóc con người, vào bên trong cấu trúc silicon của chip bán dẫn để tạo thành một khối thống nhất.

Dữ liệu thử nghiệm thực tế cho thấy, ngay cả trong điều kiện sinh nhiệt cực đoan lên tới 2000 W/cm², hệ thống tản nhiệt này vẫn hoạt động ổn định, duy trì nhiệt độ lõi chip luôn ở mức dưới 100°C, đảm bảo thiết bị vận hành với hiệu suất tối đa.

Cấu trúc vi kênh đa tạp

So với những công nghệ làm mát hiện nay, trọng tâm đổi mới của nghiên cứu nằm ở cấu trúc Vi kênh Đa tạp (MMC) được nhúng bên trong chip.

Với vi kênh tản nhiệt truyền thống, chất làm mát phải chảy xuyên suốt từ đầu này sang đầu kia của con chip. Quãng đường luân chuyển quá dài làm tăng đáng kể lực cản dòng chảy.

Mô hình cấu trúc Vi kênh Đa tạp (MMC). Ảnh: KAIST.

Để duy trì sự lưu thông, hệ thống buộc phải sử dụng công suất bơm lớn hơn, gây tiêu hao năng lượng, giảm hiệu quả tản nhiệt tổng thể và đội chi phí vận hành dài hạn.

Trong khi đó, cấu trúc phân luồng MMC hoàn toàn tái định hình logic luân chuyển này. Bằng cách phân bổ chất làm mát qua nhiều ngõ vào phân tán, hoàn thành quá trình trao đổi nhiệt rồi lập tức thu gom qua nhiều ngõ ra, hệ thống tạo nên một mạng lưới tản nhiệt đa điểm với chu trình cực ngắn.

QQ ví von nguyên lý này giống như mạng lưới logistics. Theo đó, mô hình cũ giống như việc vận chuyển hàng hóa đường dài trên một tuyến độc đạo, với đường đi dài và hao hụt lớn. Trong khi đó, MMC giống như việc xây dựng các trung tâm phân phối trên toàn khu vực, trao đổi nhiệt ngay tại chỗ.

Thiết kế này không chỉ giảm thiểu ma sát lưu chất và áp lực bơm, mà còn giúp chất lỏng làm mát phủ đều khắp không gian chip. Tình trạng tản nhiệt cục bộ không đều hay hiện tượng quá nhiệt được triệt tiêu hoàn toàn, tránh cho chip bị giảm xung nhịp hoặc trục trặc.

Thêm vào đó, thay vì cố gắng thu nhỏ kích thước ống dẫn, các nhà nghiên cứu đã tiến hành tối ưu hóa thông minh hàng loạt thông số cốt lõi như chiều rộng, chiều cao, số lượng, bố cục vi kênh và tốc độ dòng chảy.

Để sàng lọc ra thiết kế tối ưu nhất, nhóm đã xây dựng một khung tối ưu hóa đa độ trung thực. Đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng mô hình 1D có tốc độ tính toán cao để sàng lọc nhanh hàng loạt thiết kế cơ bản, loại bỏ các cấu trúc kém hiệu quả.

Sau đó, nhóm dựa trên công nghệ mô phỏng 3D độ chính xác cao sẽ tinh chỉnh chi tiết các phương án tiềm năng nhất. Hệ thống này giúp tối ưu hóa đồng thời 3 chỉ số cốt lõi là hiệu suất tản nhiệt, độ sụt áp lưu chất, và độ đồng đều nhiệt độ trên chip.

Kết quả, nhóm nghiên cứu đã khắc phục triệt để tình trạng phân bổ lưu chất không đồng đều, vốn là “gót chân Achilles” của các nghiên cứu MMC trước đây trên thế giới.

Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống làm mát mới đã đạt được hệ số hiệu suất là 106.000 COP, thước đo lượng nhiệt loại bỏ trên mỗi đơn vị năng lượng tiêu thụ.

Các nhà nghiên cứu cho biết, con số này cao hơn gấp 10 lần kỷ lục thế giới trước đó, được công bố trên tạp chí Nature năm 2020. Nói cách khác, sáng kiến mới này có khả năng làm mát cùng một lượng nhiệt mà chỉ cần 1/10 năng lượng tỏa ra so với công nghệ làm mát chip tốt nhất hiện nay.

Công nghệ làm mát mới này đạt hiệu quả cao hơn gấp 10 lần kỷ lục thế giới trước đó. Ảnh: KAIST.

Đáng chú ý, hiệu năng “khủng” này hoàn toàn không phụ thuộc vào các quy trình chế tác xa xỉ hay vật liệu đắt đỏ. Nhiệt độ chế tạo vi kênh tích hợp dưới 350°C, tương thích hoàn toàn với các dây chuyền sản xuất bán dẫn quy mô lớn (CMOS) hiện tại.

Điều này giúp các nhà máy không cần cải tạo hay mua sắm máy móc đắt đỏ, mở ra cánh cửa thương mại hóa ngay lập tức.

“Khi hiệu suất chip AI tiếp tục thăng cấp và công nghệ đóng gói điện tử tiên tiến lặp lại, giới hạn sức mạnh của phần cứng sẽ ngày càng bị trói buộc bởi nhiệt độ.

Công nghệ làm mát bằng chất lỏng hiệu suất cao này sẽ trở thành giải pháp nền tảng cho các hệ thống điện toán trong tương lai, phá vỡ nút thắt về sự cân bằng giữa năng lực tính toán và tiêu thụ năng lượng”, Giáo sư Kim Sung-jin khẳng định.