Các nhà khoa học Hàn Quốc vừa công bố thành công công nghệ tản nhiệt chất lỏng thế hệ mới được tích hợp trực tiếp vào nền silicon của vi mạch.
Giải pháp này được kỳ vọng sẽ giúp các chip AI hoạt động mát hơn, tiết kiệm điện hơn và mở đường cho thế hệ trung tâm dữ liệu hiệu năng cao trong tương lai.
Tản nhiệt chất lỏng giải quyết bài toán nóng của chip AI
Sự phát triển mạnh mẽ của AI tạo sinh khiến các bộ xử lý ngày càng có mật độ bóng bán dẫn lớn hơn và sinh ra lượng nhiệt khổng lồ. Trong khi đó, quạt gió và tản nhiệt kim loại truyền thống đang dần chạm tới giới hạn về khả năng làm mát.
Nhằm giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã phát triển hệ thống tản nhiệt chất lỏng được nhúng trực tiếp bên trong cấu trúc silicon của chip, thay vì làm mát từ bên ngoài như hiện nay.
Tích hợp trực tiếp vào nền silicon
Điểm nổi bật của công nghệ tản nhiệt chất lỏng mới là sử dụng nước sạch ở nhiệt độ phòng làm môi chất làm mát, không cần các dung dịch chuyên dụng hay hệ thống làm lạnh nhiệt độ thấp.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra mạng lưới vi kênh có kích thước nhỏ hơn sợi tóc con người và tích hợp trực tiếp vào silicon của chip. Hệ thống tản nhiệt chất lỏng này giúp đưa nước đến chính xác những khu vực phát sinh nhiệt cao nhất trong quá trình xử lý.
Kết quả thử nghiệm cho thấy ngay cả khi mật độ nhiệt đạt tới 2.000 W/cm², công nghệ tản nhiệt chất lỏng vẫn duy trì nhiệt độ lõi chip dưới 100°C, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Cấu trúc vi kênh mới nâng hiệu quả làm mát
Khác với các thiết kế truyền thống, giải pháp tản nhiệt chất lỏng của KAIST sử dụng cấu trúc Vi kênh Đa tạp (MMC).
Thay vì để chất làm mát di chuyển trên một đường dài xuyên suốt chip, hệ thống phân phối nước qua nhiều đầu vào và đầu ra khác nhau, rút ngắn quãng đường lưu thông, giảm lực cản và tiết kiệm năng lượng bơm.
Nhờ thiết kế này, tản nhiệt chất lỏng có thể phân bổ đều trên toàn bộ bề mặt chip, hạn chế hiện tượng điểm nóng, đồng thời ngăn CPU hoặc GPU bị giảm xung nhịp do quá nhiệt.
Hiệu suất cao gấp 10 lần công nghệ trước đây
Để tối ưu thiết kế, nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình mô phỏng đa cấp, kết hợp tính toán 1D và mô phỏng 3D nhằm tìm ra cấu trúc vi kênh tối ưu nhất.
Theo kết quả công bố, hệ thống tản nhiệt chất lỏng đạt hệ số hiệu suất (COP) lên tới 106.000, cao gấp khoảng 10 lần kỷ lục trước đó được công bố trên tạp chí Nature vào năm 2020.
Điều này đồng nghĩa cùng một lượng nhiệt cần loại bỏ, công nghệ tản nhiệt chất lỏng mới chỉ tiêu tốn khoảng 1/10 năng lượng so với các giải pháp tiên tiến hiện nay.
Mở đường cho thế hệ chip AI tương lai
Một ưu điểm đáng chú ý là quy trình chế tạo tản nhiệt chất lỏng chỉ yêu cầu nhiệt độ dưới 350°C, hoàn toàn tương thích với dây chuyền sản xuất bán dẫn CMOS hiện có. Điều này giúp các nhà sản xuất không cần đầu tư lại toàn bộ nhà máy để áp dụng công nghệ mới.
Theo các nhà nghiên cứu, khi AI tiếp tục phát triển và mật độ tích hợp chip ngày càng cao, tản nhiệt chất lỏng sẽ trở thành nền tảng quan trọng cho các bộ xử lý hiệu năng cao, trung tâm dữ liệu AI và hệ thống điện toán thế hệ tiếp theo.
Nếu được thương mại hóa thành công, công nghệ này không chỉ giúp chip mạnh hơn mà còn giảm đáng kể điện năng tiêu thụ, góp phần giải quyết bài toán năng lượng đang trở thành thách thức lớn của ngành AI toàn cầu.
