Technologie de refroidissement des puces à microcanaux
Le refroidissement liquide est l’avenir des centres de données. L'air ne peut pas supporter la densité de puissance qui atteint le hall de données, c'est pourquoi un fluide dense à haute capacité thermique s'écoule dans la connexion. À mesure que la densité thermique des équipements informatiques augmente, le liquide s’en rapproche. Mais jusqu’où les liquides peuvent-ils s’approcher ? Il est largement admis de faire fonctionner un système de circulation d’eau par la porte arrière des armoires du centre de données. Ensuite, le système continue de faire circuler de l'eau vers la carte froide sur les composants particulièrement chauds tels que les GPU ou les CPU. De plus, le système d'immersion plonge l'ensemble du rack dans le fluide diélectrique, afin que le liquide de refroidissement puisse entrer en contact avec chaque partie du système. Les principaux fournisseurs proposent désormais des serveurs optimisés pour l'immersion.
En 1981, les chercheurs David Tuckerman et RF Pease de l'Université de Stanford ont proposé de graver de minuscules « microcanaux » dans les dissipateurs thermiques pour éliminer plus efficacement la chaleur. Les petits canaux ont une plus grande surface et peuvent évacuer la chaleur plus efficacement. Ils suggèrent que les dissipateurs thermiques peuvent devenir un composant des puces VLSI, et leur démonstration démontre que les dissipateurs thermiques à microcanaux peuvent supporter un flux thermique impressionnant de 800 W par mètre carré.
Avec le développement de la fabrication de semi-conducteurs et son entrée dans les structures tridimensionnelles, l’idée d’un refroidissement et d’un traitement intégrés est devenue plus pratique. À partir des années 1980, les fabricants ont tenté de superposer plusieurs composants sur des puces en silicium. La création de canaux au-dessus des puces de silicium multicouches peut constituer une méthode de refroidissement rapide et optimale, car elle peut commencer par la simple mise en œuvre de petites rainures semblables à des ailettes sur un dissipateur thermique. Mais cette idée n’a pas retenu beaucoup d’attention car les fournisseurs de puces espèrent utiliser la technologie 3D pour empiler des composants actifs. Cette méthode est désormais acceptée par la mémoire haute densité, et les brevets de Nvidia indiquent qu'elle pourrait être destinée à empiler des GPU.
Les chercheurs travaillent depuis plusieurs années sur la gravure de canaux microfluidiques à la surface des puces de silicium. Une équipe du Georgia Institute of Technology a collaboré avec Intel en 2015 pour être potentiellement la première à fabriquer une puce FPGA avec une couche de refroidissement microfluidique intégrée, située à seulement quelques centaines de micromètres de l'endroit où le transistor fonctionne sur silicium. "Nous avons éliminé le dissipateur thermique situé au sommet de la puce de silicium en refroidissant le liquide à seulement quelques centaines de micromètres du transistor", a déclaré le professeur Muhannad Bakir, chef d'équipe du Georgia Institute of Technology, dans un communiqué de presse. Nous pensons que l’intégration directe et fiable du refroidissement microfluidique dans le silicium deviendra une technologie révolutionnaire pour la prochaine génération de produits électroniques.
Un réseau 3D de canaux de refroidissement microfluidiques a été conçu à l’intérieur de la puce, situé à quelques micromètres seulement sous la partie active de chaque transistor, d’où la chaleur est générée. Cette méthode peut améliorer les performances de refroidissement de 50 fois. Les microcanaux transportent les fluides directement vers les points chauds et gèrent une étonnante densité de puissance de 1,7 kW par centimètre carré. Cela équivaut à 17 MW par mètre carré, soit plusieurs fois le flux thermique actuel du GPU.
La difficulté de dissipation de la chaleur signifie que les plus grosses puces actuelles ne peuvent pas utiliser tous les transistors en même temps, sinon elles surchaufferaient. L’application de la microfluidique peut améliorer les performances et l’efficacité des puces. Il est possible de faire fonctionner les centres de données plus efficacement sans avoir recours à des systèmes de réfrigération énergivores.
