آیا می‌توان تراشههای کامپیوتری را با لیزر خنک کرد؟ استارتاپ آمریکایی Maxwell Labs معتقد است که پاسخ مثبت است. این شرکت فناوری جدیدی را توسعه داده که به جای انتقال حرارت، آن را مستقیماً به نور تبدیل می‌کند. این روش می‌تواند به طور کامل محدودیت‌های حرارتی پردازنده‌های مدرن را از بین ببرد و راه را برای نسل بعدی کامپیوترهای فوق سریع هموار سازد.
محدودیت گرمایی تراشههای جدید و چالش «سیلیکون تاریک»
پردازنده‌های قدرتمند امروزی به ده‌ها میلیارد ترانزیستور مجهزند، اما مشکل اینجاست که نمی‌توان از تمام ظرفیت آن‌ها به طور همزمان استفاده کرد. چراکه فعال کردن تمام ترانزیستورهای تراشه نقاط داغی با چگالی توانی نزدیک به سطح خورشید ایجاد می‌کند که می‌تواند به تراشه آسیب جدی بزند.
به همین دلیل در هر زمان باید بخش بزرگی از ترانزیستورها (گاهی تا ۸۰ درصد) خاموش باشند. این مسئله با نام «پارادوکس سیلیکون تاریک» یا Dark Silicon در صنعت تراشه شناخته می‌شود. ما در حال ساخت ابرکامپیوترهایی روی یک قطعه سیلیکون هستیم، اما تنها از بخش کوچکی از توانایی‌های آن بهره می‌بریم.
سال‌هاست که صنعت با استفاده از فن‌های بزرگتر و سیستم‌های خنک‌کننده مایع پیچیده‌تر با این محدودیت حرارتی مقابله کرده است. اما این‌ها راه‌حل‌های موقتی هستند. این روش‌ها گرما را از سطح تراشه دور می‌کنند، اما نمی‌توانند بر گلوگاه حرارتی ناشی از انتقال گرما از درون سیلیکون به خنک‌کننده غلبه کنند.
بر اساس گزارش IEEE Spectrum، حال استارتاپ Maxwell Labs رویکردی کاملاً جدید را پیشنهاد می‌دهد: به جای انتقال حرارت، آن را ناپدید کنیم! این فناوری که خنک‌سازی فوتونیک (Photonic Cooling) نام دارد، قادر است گرما را مستقیماً به نور تبدیل کند و تراشه را از درون خنک سازد. انرژی نوری حاصل می‌تواند بازیابی شده و دوباره به برق قابل استفاده تبدیل شود.
خنک‌سازی با نور چگونه کار می‌کند؟
لیزرها معمولاً به عنوان منبع گرما شناخته می‌شوند، اما در شرایطی خاص می‌توانند باعث خنک‌سازی شوند. راز این فرآیند در پدیده‌ای به نام فلوئورسانس نهفته است. در حالت عادی، مواد نور پرانرژی را جذب و نور کم‌انرژی‌تری ساطع می‌کنند و مازاد انرژی به گرما تبدیل می‌شود. اما در پدیده‌ای نادر به نام «خنک‌سازی آنتی استوکس» (Anti-Stokes Cooling) عکس این اتفاق رخ می‌دهد.
در این فرآیند، ماده‌ای خاص فوتون‌های کم‌انرژی لیزر را جذب کرده و با ترکیب انرژی آن‌ها با «فونون‌ها» (ارتعاشات شبکه کریستالی)، فوتون‌هایی با انرژی بالاتر ساطع می‌کند. این استخراج انرژی از ارتعاشات شبکه، عملاً باعث سرد شدن ماده می‌شود. این پدیده تنها در مواد خاصی مانند شیشه‌های حاوی ناخالصی یون‌های «ایتریم» (Ytterbium) رخ می‌دهد.
فناوری صفحه خنک‌کننده فوتونیک
تیم Maxwell Labs در حال توسعه «صفحه خنک‌کننده فوتونیک» (Photonic Cold Plate) است که روی پردازنده قرار می‌گیرد. این صفحه از چندین لایه تشکیل شده است: یک حسگر برای تشخیص نقاط داغ، یک کوپلر برای هدایت نور لیزر به داخل، یک لایه استخراج‌کننده که فرآیند آنتی استوکس در آن رخ می‌دهد و یک بازتابنده پشتی برای جلوگیری از نفوذ نور به خود تراشه.
وقتی حسگر یک نقطه داغ را شناسایی می‌کند، لیزر به صفحه خنک‌کننده بالای آن نقطه تابانده می‌شود. نور لیزر باعث آغاز فرآیند خنک‌سازی در لایه استخراج‌کننده شده و حرارت به شکل نور پرانرژی‌تر از سیستم خارج می‌شود. این فرآیند دقیقاً در مکان و زمان مورد نیاز عمل می‌کند و از هدررفت انرژی برای خنک کردن کل تراشه جلوگیری می‌کند.
در همین رابطه بخوانید:
تأثیر بر آینده تراشه‌ها و مراکز داده
این فناوری می‌تواند چندین تحول کلیدی ایجاد کند. اولاً با حذف نقاط داغ مشکل سیلیکون تاریک را از بین می‌برد و اجازه می‌دهد تراشه‌ها با توان مصرفی بالاتری کار کنند. ثانیاً، با حفظ دمای تراشه زیر ۵۰ درجه سانتی‌گراد، امکان دستیابی به فرکانس‌های کلاک بسیار بالاتر را فراهم می‌کند.
این روش همچنین راه را برای پکجینگ سه بعدی تراشه‌ها مانند آنچه در حافظه‌های HBM یا پردازنده‌های X3D شرکت AMD می‌بینیم هموارتر می‌کند، زیرا می‌تواند حرارت را از لایه‌های میانی استخراج نماید. مهم‌تر از همه، نور استخراج‌شده می‌تواند توسط کابل‌های فیبر نوری جمع‌آوری و از طریق سیستم‌های ترموفتوولتائیک (Thermophotovoltaics) با بازدهی بالای ۶۰ درصد دوباره به برق تبدیل شود.
اگرچه چالش‌هایی مانند توسعه مواد کارآمدتر و تولید انبوه همچنان باقی است، اماMaxwell Labs پیش‌بینی می‌کند که تا سال ۲۰۲۷ شاهد استفاده از این فناوری در پردازش‌های سنگین و هوش مصنوعی باشیم و تا سال ۲۰۳۰ به طور گسترده در مراکز داده به کار گرفته شود.
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت