Охладить CPU в ЦОД — поможет лазерная 3D-печать

    В Университете Бингемтон (Нью-Йорк) разработали новую технологию для охлаждения процессоров, которая позволит отказаться от термопасты. Теплопроводящий материал наносится прямо на поверхность чипа при помощи 3D-печати. По оценкам экспертов, их решение способно понизить рабочую температуру процессоров в дата-центрах на 10°C.

    Расскажем о технологии и поговорим о других экспериментальных методах охлаждения CPU.


    / фото artistic bokeh CC BY-SA

    Как напечатать «металлическую термопасту»


    Разработчики технологии нанесли на кристалл процессора тонкий слой металлического сплава с высокой теплопроводностью и с помощью лазера «напечатали» в нем каналы для охлаждающей жидкости. Для этого использовался метод селективного лазерного спекания.

    На кремниевой поверхности равномерно распределяется слой металлического порошка. Затем включается лазер и луч, направляемый подвижными зеркалами, сплавляет частицы между собой согласно сгенерированной 3D-модели. Процедура повторяется множество раз — на каждой итерации формируются различные срезы финального изделия. Само лазерное спекание происходит менее чем за секунду.

    Сплав, который наносят на чип, состоит из титана, олова и серебра. Последние два нужны для снижения температуры плавления материала. Таким образом, металл дольше остается в жидком состоянии, что помогает избежать деформации слоя из-за резкого затвердевания.

    Селективное лазерное спекание позволило сформировать металлический слой толщиной в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Это дает возможность охлаждающей жидкости забирать излишки тепла прямо с чипа и исключает необходимость в термопасте.

    Что может эта технология


    Специалистам удалось получить сплав с теплопроводностью в 39 Вт/(м•K), что в семь раз лучше, чем у других материалов для термоинтерфейсов — термопаст или полимерных компаундов. Это позволило снизит температуру чипа на 10°C, по сравнению с другими системами охлаждения.
    Новая технология призвана решить две задачи: снизить затраты на электроэнергию в дата-центрах и продлить срок службы процессоров (так как они будут меньше перегреваться). По словам разработчиков, изобретение сократит энергопотребление мировых ЦОД на 5% и позволит ИТ-индустрии экономить до 438 миллионов долларов ежегодно.

    Пока технологию испытали только в лабораторных условиях и неизвестно, как она будет работать в реальных дата-центрах. Однако уже в ближайшее время исследователи планируют запатентовать свою технологию и провести необходимые тесты.

    Кто еще экспериментирует с охлаждением чипов


    Не только в Университете Бингемтон работают над технологиями охлаждения чипов. Их коллеги из Калифорнийского университета впервые синтезировали сверхчистые кристаллы арсенида бора, обладающие высокой теплопроводностью. Полученное значение приблизилось к 1300 Вт/(м•K), в то время как у алмаза (который считается одним из рекордсменов по теплопроводности) она составляет 1000 Вт/(м•K).

    Новая технология позволит создавать эффективные системы отвода тепла в электронике и фотонике. Однако для этого нужно решить ряд задач. Арсенид бора сложно получать в промышленных масштабах — при синтезе кристаллов часто возникают дефекты, а в производстве материала используются токсичные соединения мышьяка.

    Исследователи из Калифорнийского университета тоже работают над решением проблемы отведения тепла от процессоров. Они предложили изменить структуру самого чипа. Идея состоит в том, чтобы создать такую структуру кристалла кремния, в которой фононы (квазичастицы, осуществляющие передачу тепла) будут переносить тепло с максимальной скоростью.

    Их технология получила название «дырчатого кремния». В плате просверливаются крошечные отверстия диаметром в 20 нм, которые ускоряют теплоотведение. В случае с оптимальным расположением отверстий, теплопроводность кремниевой пластины возрастает на 30%.

    Этот способ пока далек от реализации — готова лишь модель. Следующий шаг — изучить потенциал технологии и возможность применения в реальных системах.


    / фото PxHere PD

    Что дальше


    До практической реализации новых технологий теплоотведения пока далеко. Все они находятся или на стадии концепции, или на стадии прототипирования. Хотя они обладают хорошим потенциалом, о широком их внедрении на рынке ЦОД говорить пока не приходится.

    По этой причине сейчас дата-центры экспериментируют с другими способами охлаждения. Один из последних трендов — жидкостное охлаждение. По данным опроса Uptime Institute, технологию уже внедрили 14% дата-центров по всему миру. Эксперты ожидают, что в будущем этот показатель вырастет из-за повышения плотности оборудования в ЦОД. Так как при большом количестве рядом стоящих серверов охлаждение воздухом затрудняется.

    Ещё одна тенденциясистемы ИИ для управления кондиционирующими установками дата-центра. По оценке исследовательских организаций, около 15–25% ЦОД уже используют такие алгоритмы машинного обучения. И ожидается, что в будущем популярность интеллектуальных технологий в ЦОД будет только увеличиваться.



    P.S. Материалы из нашего корпоративного блога:


    P.S. У нас есть Telegram-канал, где мы пишем о технологиях виртуализации и IaaS:

    ИТ-ГРАД

    273,00

    vmware iaas provider

    Поделиться публикацией
    Комментарии 12
      0
      Так суть в том, что фактически наплавили мини-радиатор на сам чип из порошка? Напоминает идею «нулевой толщины дна» у водоблоков в прошлом.
        +3
        Фактически лазерная 3д печать на кремниевой подложке. Водоблок получается припаян к кремнию. Правда как я понял, сами каналы тоже из этого же сплава с теплопроводностью в 10 раз меньше меди, что уже нехорошо. Теплопроводность индия в припое, который используется в процессорах, составляет 81 Вт/(м·K), что в два раза выше, чем у данного сплава, так что в целом новизна лишь в нанесении с помощью лазерного спекания.
          0
          Водоблоки безо дна, где вода омывает крышку теплораспределителя ЦП (сам кристалл, насколько я помню, никто омывать не пытался), делали. И они оказывались примерно 10 градусов хуже, чем традиционные решения. Ликвидировав одно узкое место — термопасту, сделали другое — гладкой крышке ЦП недостаёт площади, чтобы эффективно отдавать свою температуру жидкости. Но вообще если поверхность теплопередачи отличается каким-то вменяемым рельефом и большой площадью, то узким местом во время теплопереноса становится как раз термопаста. Наплавлением водоблока со сложным рельефом напрямую на кристалл можно добиться отличных показателей, решив обе задачи — увеличить площадь теплопередачи и избавиться от лишнего слоя термопасты. Из пушки по воробьям, конечно, но коль скоро пушки простаивают и палить не по кому…

          Родится третье слабое место: об установке на такой ЦП традиционного воздушного кулера можно будет забыть. Да и рынок сбыта таких решений окажется катастрофически мал.
            0
            Площадь эффективнее наращивать медью в виду большей теплопроводности. А вот канавки над кремнием создать для оптимизации потока жидкости — может и дать какое-то преимущество, но в целом, если припаивать крышку к процессору, то никаких проблем с теплоотводом нет, кристалл защищён и можно установить любой кулер на тот же жидкий металл. И это будет в разы дешевле и эффективнее, чем данная технология.
        0
        Ну, куда-бы еще пристроить 3D-печать? А так, дорогая игрушка…
          0
          Это позволило снизит температуру чипа на 10°C

          Не совсем понятен источник такого снижения температуры?
          Стандартно термопаста наносится на радиатор слоем менее 0.2 мм. При прижатии к процессору — лишнее выдавливается и толщина оставшегося слоя в среднем в районе 0.1 мм. Теплопроводность термопасты, которую используют внутри процессора (между кристаллом и крышкой) — 6-8 Вт/м*К. Т.е. не в 7, а в 5 раз меньше, чем новый термоинтерфейс. Дальше идет медь с теплопроводностью 400 Вт/м*К.
          И это все до того, как мы вспомним, что процессоры в севере — это даже не всегда 50% тепловыделения. Даже если смотреть на сугубо вычислительные блэйды, 5-10Вт тепла с каждой планки памяти (которых может быть 6 — 12 на процессор), 15-20 Вт чипсет, 15-20 Вт каждый из 10G Ethernet'ов. Ну и да, 5-15% от общего энергопотребления чипов на разнообразные преобразователи и стабилизаторы питания. И городить такое охлаждение для каждого чипа памяти и каждого драйвера VRM — вряд ли кто-то когда-то будет. Так что, заявленные 5% экономии нужно делить еще пополам.
          Если учесть, что тот же Xeon начинает тротлиться при температурах ядра больше 100C, то и обещание увеличения срока службы процессоров тоже… чуть-чуть передергивание. Современные процессоры выживают по 5-7 лет в суперкомпьютерах, работая 90% времени с нагрузкой, близкой к 100%, при температурах, близких к троттлингу. Это значит, что в условиях обычных для ЦОДов нагрузок типа 30-60% этот же процессор проживет 15 лет без проблем. Вообще, проблема в последний раз вылезала в конце 90-х годов в процессорах AMD, которые мгновенно сгорали при проблемах с охлаждением.
          Ну а во вторых, избавление от фреоновых прецизионников в ЦОДах даст экономию порядка 20-30% электроэнергии. Причем, есть как минимум три разных альтернативных метода, с некоторыми из которых средние затраты на охлаждение ИТ-нагрузки ЦОД становятся менее 5% от ИТ нагрузки (против 20-30% для чиллерных систем с фрикулингом и 40-80% для кондиционеров «прямого расширения»). Но что-то как-то строители и заказчики ЦОДов не спешат внедрять эти технологии и продолжают массово ставить антикварные прецизионники «прямого расширения»…

          фононы (квазичастицы, осуществляющие передачу тепла)

          Еще пол шага и теплород вернется… Интересно, как его назовут?..
            0
            А далеко ходить не надо — посмотрите тесты процессоров после скальпирования и замены жвачки от Intel на жидкий металл к примеру. Да, в максимальной нагрузке, но таки до 10 градусов люди получают. Иногда больше. Так и тут — разница при максимальной производительности.
              0
              В серверах условия совершенно другие, нет такого теплового потока, как у настольников.

              А в целом да, как-то надуманно и перебор. Что мешает тогда избавиться от крышки вообще, или приклеивать на заводе радиатор/ватерблок вместо него?
                0
                жвачки от Intel

                В Интеле, да и в большинстве процессоров «жвачка» производства Shin Etsu. Очень хорошая штука. Очень долго не теряет эластичности и не теряет теплопроводность.

                на жидкий металл

                «Жидкий металл» — хорошо, конечно, но не для массового серийного производства. И даже это проще, чем на 3д-принтере печатать термоинтерфейс и радиатор.

                Так и тут — разница при максимальной производительности.

                Разница не просто при максимальной производительности. Эта разница такого масштаба появляется только в случае, если неправильно подобран радиатор и неправильно построена система охлаждения в целом.
                Если система охлаждения сделана более-менее нормально, то перепад между воздухом и радиатором — около 10-15 градусов, между радиатором и крышкой процессора — около 5 градусов, между крышкой процессора и кристаллом — еще до 5 градусов. Итого все вместе — до 30 градусов. Это 60-70 градусов на кристалле при 40-градусном «охлаждающем» воздухе. Это еще турбо-буст, обычно, работает. Повышать эффективность в этой системе, которая примерно так работает уже больше 15 лет, есть смысл только при зверском оверклокинге. Но зверский оверклокинг — это не подход для ЦОД.
                Нужно просто осознать, что серийный процессор — это достаточно хорошо сбалансированная конструкция, где небольшие компромиссы с точки зрения передачи тепла от кристалла на корпус компенсируются сильно возрастающей живучестью системы в целом.
                  0
                  Совершенно согласен. Просто для примера привёл, что такие цифры даже нашим колхозам поддаются и даже я таким баловался.
                  А ещё в статье не указано, относительно чего эти -10 по больнице получили — какие то китайские другие СО.
                0
                6-8 Вт/м*К при площади чипа в 2см.кв. и толщине 0.1мм это 15Вт/К, при мощности в 150Вт на этой термопасте как раз и будет 10 градусов. Реальная толщина под крышкой больше кстати, это на крышке уже тонкий слой под кулером. Даже слой припоя там в районе 0.5мм получается, это связано с термическим расширением кремния отличного от меди.
                0
                И еще…
                В случае с оптимальным расположением отверстий, теплопроводность кремниевой пластины возрастает на 30%.

                Все же в статье идет речь не об увеличении теплопроводности. Т.к. то, что написано в этой цитате — это типа «мы насверлили дырок в кремнии и теперь фононы быстрее выходят наружу! Квази? Какое квази?»…
                А в статье, на которую ссылка, написано, что за счет правильной структуры отверстий, на которых фононы «рассеиваются» при движении вдоль одной из плоскостей, возникает 20-ти кратная анизотропия между теплопроводностью вдоль поверхности материала и теплопроводностью «поперек». Что позволяет повысить эффективность термоэлектрических систем на элементах Пельтье.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое