تحول در مراکز داده: تراشه‌ها با نور خنک می‌شوند، نه با آب
لیزر‌ها برای گرم کردن چیز‌ها عالی هستند، چه نیاز به انجام سریع آن داشته باشید، چه به یک هدف دقیق یا از راه دور انجام دهید. تحت شرایط خاص، لیزر‌ها همچنین می‌توانند چیز‌ها را خنک کنند، و این ممکن است همان چیزی باشد که ما برای مقابله با مراکز داده بسیار داغ نیاز داریم.
یک شرکت می‌گوید لیزر ممکن است در مصرف انرژی و آب صرفه جویی کند. Sandia Labs به آزمایش این ایده کمک می‌کند.سندیا به یک شرکت فناوری کمک می‌کند تا یک ایده جدید درخشان برای خنک کردن رایانه‌ها آزمایش کند.
استارت‌آپ Maxwell Labs مستقر در مینه‌سوتا با سندیا و دانشگاه نیومکزیکو قرارداد همکاری تحقیق و توسعه منعقد کرده است تا خنک کننده فوتونیک مبتنی بر لیزر برای تراشه‌های کامپیوتری را نشان دهد. این شرکت پیشگام فناوری جدید برای تنظیم دمای تراشه‌ها و کاهش قابل توجه مصرف برق و افزایش کارایی سیستم‌های معمولی مبتنی بر هوا و آب است.
راکتیم سارما، فیزیکدان ارشد سندیا در این پروژه، گفت: حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد از مراکز داده انرژی مصرفی صرف خنک‌سازی می‌شود. وی افزود که در برخی از جوامع، میزان آب مورد نیاز می‌تواند منابع محلی را تحت فشار قرار دهد.
اجزای ریزتراشه آزمایشی ماکسول می‌تواند برای صنعت مرکز داده، جایی که هزینه‌های انرژی به یک نگرانی فزاینده تبدیل شده است، تسکین دهد..
مایک کارپ، موسس و مدیر ارشد رشد Maxwell گفت: یک پروژه موفق نه تنها نیاز فوری به صرفه جویی در انرژی را برطرف می‌کند، بلکه راه را برای عملکرد پردازنده‌ها در سطوح عملکردی که قبلا غیرممکن می‌پنداشتند هموار می‌کند.
مراکز داده جایی هستند که سرورها، معمولاً هزاران نفر از آنها، ایمیل‌ها، جست‌و‌جو‌های وب و اسکرول‌های عذاب را که به اینترنت متصل می‌شوند، پردازش می‌کنند. شرکت‌ها همچنین ممکن است مراکز داده خصوصی برای فعالیت‌هایی که به قدرت محاسباتی قابل توجهی نیاز دارند، مانند آموزش هوش مصنوعی، داشته باشند. همه این فعالیت‌ها گرما تولید می‌کنند، بنابراین مراکز داده برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد سرورها به سیستم‌های خنک کننده گسترده نیاز دارند.
بسیاری از محققان، از جمله Raktim، در حال مطالعه فناوری‌های فوتونیکی هستند - دستگاه‌هایی که نور را برای انجام کار‌های مفید مهار می‌کنند - برای کاربرد‌های مختلف، از جمله پردازش داده‌ها، ارتباطات و امنیت ملی. در مقایسه با الکترونیک، فوتونیک می‌تواند سریعتر و کارآمدتر انرژی باشد.
اما راکتیم و تیمش معتقدند این اولین باری است که کسی سعی می‌کند از فوتونیک برای خنک کردن رایانه‌ها استفاده کند.
لیزر را وارد کنید
اگرچه لیزر‌ها برای گرم کردن اشیا مانند جوشکاری لیزری، حکاکی و چاپ سه بعدی بیشتر شناخته شده‌اند، اما می‌توانند تحت شرایط خاص نیز خنک شوند. این زمانی اتفاق می‌افتد که یک فرکانس نور خاص با یک هدف بسیار کوچک و بسیار خالص از یک عنصر خاص مطابقت داده شود. به عنوان مثال، در برخی از کامپیوتر‌های کوانتومی، لیزر‌ها به نگه داشتن اتم‌های منفرد در دمای فوق العاده سرد کمک می‌کنند.
در حالی که راکتیم هشدار داد که یک سیستم لیزری نمی‌تواند کل خانه یا مواد انبوه را خنک کند، او گفت که ممکن است برای تراشه‌های کامپیوتری مانند GPUها کار کند اگر نور خنک کننده بتواند روی نقاط داغ کوچک و موضعی متمرکز شود.
ما واقعاً فقط باید نقاطی را که در حد صد‌ها میکرون هستند، تقریباً به اندازه یک ذره غبار، خنک کنیم.
جیکوب بالما، مدیرعامل ماکسول، می‌گوید که هدف شرکت او این است. ایده این است که از یک صفحه سرد فوتونیک برای جایگزینی یا تکمیل سیستم‌های خنک‌کننده مبتنی بر آب و هوا استفاده شود، که همچنین اجازه می‌دهد تا گرمای استخراج‌شده به شکل نور بازیافت شود و دوباره به برق تبدیل شود.
در برخی از سیستم‌های فعلی، آب سرد از طریق کانال‌های میکروسکوپی در صفحات سرد مسی که روی یک تراشه قرار گرفته‌اند برای جذب گرما جریان می‌یابد.
صفحه سرد ماکسول یک تنوع مبتنی بر نور است که با مواد و ویژگی‌های میکروسکوپی تقریباً به اندازه یک ویروس - تقریباً هزار برابر کوچکتر از ضخامت موی انسان - طراحی شده است که نور لیزر خنک‌کننده را به نقاط داغ موضعی هدایت می‌کند.
بالما گفت که مدل‌های شرکت او نشان می‌دهند که یک سیستم خنک‌کننده مبتنی بر لیزر می‌تواند تراشه‌ها را سردتر از سیستم‌های مبتنی بر آب نگه دارد و توضیح داد: «این پارادایم‌های جدید بازیابی انرژی را امکان‌پذیر می‌کند که با فناوری خنک‌کننده سنتی امکان‌پذیر نیست.
اگر مدل‌ها دقیق باشند، روش جدید خنک‌سازی می‌تواند به تراشه‌ها اجازه دهد بدون گرم شدن بیش از حد سخت‌تر عمل کنند و عملکرد کلی و بهره‌وری انرژی را به طور همزمان بهبود بخشند.
بالما گفت: قابلیت منحصر‌به‌فرد نور برای هدف‌گیری و کنترل گرمایش موضعی به‌صورت مکانی و در مقیاس‌های زمانی نوری برای این دستگاه‌ها، محدودیت‌های طراحی حرارتی را باز می‌کند که برای طراحی تراشه آن‌قدر اساسی هستند که حدس زدن اینکه معماران تراشه با آن چه می‌کنند سخت است –، اما من اطمینان دارم که این نوع مشکلات را که می‌توانیم با رایانه‌ها حل کنیم، اساساً تغییر خواهد داد.
مدیر ارشد فناوری Maxwell و یکی از بنیانگذاران، الخاندرو رودریگز، از طریق نقش خود به عنوان استاد در دانشگاه پرینستون، قبلا با سندیا راکتیم برای طراحی ساختار‌های نانوفوتونیکی مشابه برای کاربرد‌های دیگر همکاری کرده است.
رودریگز گفت: از این همکاری برای من مشخص شد که آزمایشگاه‌های دکتر سارما و ساندیا تنها تعداد انگشت شماری از شرکا هستند که دارای چشم‌انداز، اشتها و توانایی‌های فنی برای رسیدگی به مواد بسیار میان رشته‌ای و پیشگام، الکترونیک و اجزای فوتونیک این پروژه هستند.
سندیا برای ساخت دستگاه‌های آرسنید گالیم بسیار خالص
سندیا تخصص تخصصی در کار با ماده‌ای به نام آرسنید گالیم را به همکاری می‌آورد. این نیمه هادی مانند سیلیکون است و بیشتر طراحی صفحه سرد ماکسول را تشکیل می‌دهد.
از آنجایی که نور لیزر ناخالصی‌ها را گرم می‌کند و هر گونه اثر خنک‌کننده را از بین می‌برد، صفحه سرد باید لایه‌های بسیار خالص و نازکی از آرسنید گالیم کریستالی، که به عنوان لایه‌های اپیتاکسیال نیز شناخته می‌شود، داشته باشد.
سندیا سابقه طولانی در تولید نیمه هادی‌های با کیفیت بالا به عنوان منبع ریزتراشه‌های کشور برای ذخایر هسته‌ای دارد. همچنین مرکز فناوری‌های نانو یکپارچه را به طور مشترک اداره می‌کند، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE، با آزمایشگاه ملی لوس آلاموس راکتیم و Sadhvikas Addamane از سندیا که هر دو دانشمند CINT هستند، از تکنیکی به نام اپیتاکسی پرتو مولکولی برای رشد ویفر‌ها و ساخت دستگاه‌ها استفاده خواهند کرد.
Sadhvikas گفت: با MBE، ما از منابع با خلوص فوق العاده بالا استفاده می‌کنیم، می‌توانیم ضخامت مواد را با دقت کمتر از یک لایه اتمی کنترل کنیم و لایه‌ها را تحت خلاء فوق العاده بالا رشد می‌دهیم.
از طریق توافقنامه تحقیقاتی جدید، آزمایشگاه Maxwell طرح‌های فنی را تولید خواهد کرد، سندیا دستگاه‌ها را خواهد ساخت و UNM عملکرد حرارتی آنها را تجزیه و تحلیل خواهد کرد.
این قرارداد‌ها که به عنوان CRADA شناخته می‌شوند، مشارکت‌های سودمند دوجانبه را برای تسهیل تحقیق و توسعه پیشرفته به سمت تجاری سازی تقویت می‌کنند. در سال مالی ۲۰۲۴، ساندیا وارد ۷۲ CRADA جدید شد که دومین عدد در تاریخ ۷۵ ساله آزمایشگاه‌ها بود.