Làm mát bằng tia laser là thế nào?

Một công ty khởi nghiệp có tên Maxwell Labs, với sự hỗ trợ của Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, đang nghiên cứu một công nghệ mới giúp làm mát phần cứng máy tính hiệu suất cao bằng tia laser, The Register đưa tin .

Vì tản nhiệt đã trở thành một thách thức lớn đối với các trung tâm dữ liệu hiện đại, nhiều phương pháp làm mát khác nhau đã được thử nghiệm và triển khai trong những năm gần đây. Trong nhiều năm, ngành công nghiệp đã dựa vào làm mát bằng không khí; sau đó, các công ty lớn bắt đầu thử nghiệm làm mát bằng chất lỏng, thử cả làm mát bằng nước ấm và làm mát bằng nước lạnh, thử nghiệm làm mát ngâm và thậm chí có kế hoạch triển khai trong những năm tới. Có một thứ vẫn chưa được sử dụng để làm mát: tia laser. Tuy nhiên, tia laser có thể được sử dụng để lấy nhiệt từ bộ xử lý. Nhưng có một điều đáng lưu ý.

Một cách tiếp cận mới lạ

Một công ty khởi nghiệp có tên Maxwell Labs, với sự hỗ trợ từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, đang nghiên cứu một phương pháp mới để làm mát phần cứng máy tính hiệu suất cao, theo báo cáo của The Register . Kỹ thuật này sử dụng các tấm lạnh đặc biệt làm từ gali arsenide (GaAs) siêu tinh khiết, có thể làm mát khi chúng nhận được các chùm tia laser tập trung có bước sóng nhất định. Thay vì làm nóng, điều thường thấy trong hầu hết các tương tác liên quan đến các chùm tia sáng mạnh, thiết lập được thiết kế cẩn thận này cho phép chất bán dẫn tỏa nhiệt tại các vị trí chính xác nhờ tính di động electron cao của GaAs. Phương pháp này hứa hẹn sẽ hỗ trợ các hệ thống làm mát truyền thống thay vì thay thế chúng.

Để triển khai điều này trong các ứng dụng thực tế, các chất bán dẫn GaAs được cấu trúc thành các thành phần mỏng được đặt trực tiếp trên các vùng nhiệt độ cao của bộ xử lý. Các mô hình vi mô bên trong chất bán dẫn hướng các chùm tia liên kết chính xác đến các điểm nóng này, dẫn đến làm mát cục bộ cao, đảm bảo hiệu quả bằng cách quản lý trực tiếp nhiệt độ chính xác tại nơi nó trở nên có vấn đề thay vì cố gắng sử dụng GaAs và laser để làm mát toàn bộ hệ thống. Kỹ thuật này có nguồn gốc từ các nghiên cứu trước đó: trở lại năm 2012, tại Đại học Copenhagen, họ đã làm mát một màng nhỏ xuống -269°C bằng một phương pháp tương tự, theo báo cáo.

Ngoài ra, kỹ thuật này còn cung cấp một khả năng độc đáo: nó có thể thu lại năng lượng đã loại bỏ dưới dạng nhiệt, theo Maxwell. Thay vì tiêu tán vào môi trường, năng lượng nhiệt được chiết xuất từ ​​chip có thể được phát ra dưới dạng các photon có thể sử dụng được, có thể chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện. Mặc dù điều này chắc chắn làm tăng hiệu suất năng lượng tổng thể của các hệ thống máy tính, nhưng hiệu quả của quá trình này vẫn chưa được chứng minh.

Chi phí cực cao và thách thức sản xuất

Mặc dù phương pháp sử dụng chất bán dẫn GaAs để làm mát chắc chắn là một sáng kiến, nhưng nó lại đi kèm với những thách thức lớn về cả chi phí lẫn khả năng sản xuất.

Đầu tiên, sản xuất wafer GaAs siêu tinh khiết đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp, tốn nhiều năng lượng như epitaxy chùm phân tử (MBE) hoặc lắng đọng hơi hóa học kim loại hữu cơ (MOCVD). Vì chúng ta đang xử lý các lớp tinh thể siêu tinh khiết, tỷ lệ lỗi có thể cao, ảnh hưởng đến chi phí. Hiện tại, một wafer 200 mm làm từ GaAs có thể có giá khoảng 5.000 đô la, trong khi một wafer silicon có cùng kích thước có thể có giá thấp tới 5 đô la, theo WaferWorld .

Transistor GaAs không thể tích hợp liền mạch vào chip silicon truyền thống trên một wafer duy nhất. Tuy nhiên, nếu ai đó muốn sử dụng transistor GaAs để làm mát chip truyền thống (hay đúng hơn là chiplet), họ có thể sử dụng tích hợp 3D không đồng nhất hoặc liên kết wafer, đây là những kỹ thuật nổi tiếng đối với các hệ thống sử dụng photonic silicon. Mặc dù các kỹ thuật này khá đắt, nhưng chúng không đắt bằng wafer GaAs.

Giai đoạn đầu

Hiện tại, khái niệm này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và mô hình hóa. Theo giám đốc điều hành của Maxwell Labs, Jacob Balma, các mô phỏng cho thấy phương pháp này có triển vọng, nhưng chưa bao giờ được xác nhận trong các thử nghiệm vật lý vì cho đến nay, việc thử nghiệm chỉ giới hạn ở các thành phần riêng biệt chứ không phải là thiết lập đầy đủ.

Nói về thiết lập đầy đủ, Maxwell Labs dự kiến ​​sẽ hoàn thành một nguyên mẫu hoạt động vào mùa thu năm 2025. Điều thú vị là Maxwell đã tìm thấy những người dùng đầu tiên cho phiên bản đầu tiên của mình, có tên là MXL-Gen1, và có kế hoạch cung cấp các hệ thống ban đầu trong hai năm tới. Khả năng tiếp cận rộng hơn được dự kiến ​​vào cuối năm 2027, với giả định rằng quá trình phát triển vẫn đi đúng hướng.

Theo Toms