پردازنده‌های آینده خود را با حرارت خنک می‌کنند!

گروهی از دانشمندان آلمانی و ژاپنی با ابداع یک سیستم خنک‌کننده حالت‌جامد نشان دادند که می‌توان از گرمای پسماند پردازنده‌ها برای خنک‌سازی خود آنها استفاده کرد.

به‌ گزارش سرویس سخت‌افزار تک‌ناک، در این پروژه که توسط پژوهشگران «موسسه فناوری کارلسروهه» (KIT) و «دانشگاه تسوکوبا» توسعه یافته و جزئیات آن در ۲۸ اوت در مجله معتبر Nature Energy به چاپ رسیده است، محرک‌های برقی معمول در سیستم‌های الاستوکالریک جای خود را به آلیاژهای حافظه‌دار حساس به حرارت داده‌اند تا چرخه خنک‌سازی بدون نیاز به موتور و تنها با اتکا به منابع گرمایشی خارجی فعال شود.

بیشتر بخوانید: تأمین‌کننده انویدیا و اینتل در پرونده جعل منشأ کالا تحت بازرسی قرار گرفت

خنک‌کننده حالت‌جامد چگونه کار می‌کند؟

در این نمونه آزمایشگاهی خنک‌کننده حالت‌جامد، دو لایه فوق‌باریک فلزی نقش محرک و مبرد را ایفا می‌کنند. یک فیلم تیتانیوم-نیکل (TiNi) به ضخامت ۲۲ میکرومتر با دریافت حرارت منقبض می‌شود و انرژی گرمایی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. این کشش و رهاسازی پیوسته روی یک فیلم مبرد تیتانیوم-نیکل-آهن (TiNiFe) به ضخامت ۲۶.۵ میکرومتر اثر می‌گذارد و با تحریک یک تغییر فاز بازگشت‌پذیر، بازدهی برودتی تولید می‌کند. در آزمون‌های آزمایشگاهی، گرمایش الکتریکی محرک تا ۸۶ درجه سانتی‌گراد باعث ایجاد شکاف دمایی ۱۲.۹ کلوینی در لایه مبرد و اختلاف دمای ۴ کلوینی بین دو سمت گرم و سرد کل دستگاه شد. در گامی اثبات‌کننده، با جایگزینی منبع حرارت مستقیم ۱۳۰ درجه سانتی‌گرادی به جای گرمایش برقی، دستگاه همچنان اختلاف دمای ۲.۲ کلوین را حفظ کرد تا عملیاتی بودن این مکانیسم با گرمای پسماند بیرونی اثبات شود.

برای مطالعه بیشتر: شرکت OpenAI ده‌ها هزار مک مینی و مک استودیو برای هوش مصنوعی خرید + تصویر

بخش اعظم سیستم‌های تهویه و برودتی جهان بر پایه چرخه تراکم بخار کار می‌کنند؛ فرایندی که در آن کمپرسور با افزایش فشار و دمای گاز مبرد، چرخه جذب و دفع حرارت را شکل می‌دهد. اگرچه این فناوری کاملا پخته و کارآمد است، اما وابستگی شدید آن به کمپرسورهای پرمصرف برقی و گازهای مبرد آلاینده با پتانسیل بالای گرمایش زمین، از نقاط ضعف اساسی آن به حساب می‌آید. در مقابل، فناوری خنک‌کننده حالت‌جامد بدون نیاز به چرخه کمپرسور و گازهای مبرد، حرارت را منتقل می‌کند. سیستم‌های ترموالکتریک که با عبور جریان برق از نیمه‌هادی‌ها اختلاف دما می‌سازند، نمونه‌ای از این دسته‌ هستند که در قطعات الکترونیکی کوچک کاربرد دارند. با وجود این، به اذعان پژوهشگران، بازدهی خنک‌کننده‌های ترموالکتریک تنها ۱۰ تا ۱۵ درصد حد نظری «بازده کارنو» است که تقریبا یک‌چهارم بازدهی سیستم‌های تراکم بخار امروزی محسوب می‌شود.

اما فناوری الاستوکالریک روش کاملا متفاوتی را در پیش می‌گیرد. در این تکنولوژی، آلیاژهای حافظه‌دار ویژه زیر تنش‌های مکانیکی بارگذاری و باربرداری، ساختار کریستالی خود را تغییر می‌دهند. اعمال فشار با ایجاد تغییر فاز، گرمای نهان ماده را آزاد و آن را گرم می‌کند؛ سپس با دفع این حرارت و برداشتن فشار مکانیکی، فرایند معکوس می‌شود و ماده با جذب گرمای محیط، عمل خنک‌سازی را انجام می‌دهد. به این ترتیب، آلیاژ جامد نقش مبرد را بازی می‌کند.

چالش‌های فناوری جدید

چالش اصلی اینجا است که لایه مبرد باید به‌طور مداوم تحت فرایند کشش و رهاسازی قرار گیرد. سیستم‌های الاستوکالریک کنونی برای تامین این نیروی مکانیکی به موتورها، جک‌های هیدرولیک یا عملگرهای الکترومکانیکی متکی هستند؛ ابزارهایی که مصرف برق، حجم فیزیکی و پیچیدگی‌های فنی را افزایش می‌دهند. دانشمندان دانشگاه تسوکوبا و موسسه KIT برای دور زدن این مانع، ایده نوآورانه‌ای (استفاده از یک آلیاژ حافظه‌دار برای به حرکت درآوردن آلیاژ دیگر) به کار بستند. گرمایش لایه محرک TiNi باعث بازگشت آن به ساختار اولیه و انقباض شدیدی می‌شود. این انقباض از طریق اتصال مکانیکی به لایه مبرد TiNiFe، نیروی محرکه مورد نیاز چرخه برودتی را تامین می‌کند. به این ترتیب، با هر چرخه گرم و سرد شدن محرک، لایه مبرد بدون نیاز به حتی یک موتور الکتریکی بارگذاری و باربرداری می‌شود.

حتما بخوانید: رکورد تاریخی قیمت حافظه؛ DRAM از طلا هم گران‌تر شد

در وافع پژوهشگران در خنک‌کننده حالت‌جامد از یک آلیاژ حافظه‌دار (لایه مبرد TiNiFe) بهره می‌برند که پس از کشیده شدن و رهاسازی، سرما تولید می‌کند. آنها به جای سامانه‌های مکانیکی سنگین، آلیاژ حافظه‌دار دیگری (TiNi) را به کار گرفتند که با دریافت حرارت منقبض می‌شود. با کوپل کردن مکانیکی این دو لایه، منقبض شدن TiNi بر اثر حرارت، لایه مبرد را می‌کشد و «بارگذاری» می‌کند؛ سپس با قطع حرارت و رها شدن TiNi، لایه مبرد آزاد می‌شود و با تغییر فاز بازگشت‌پذیر، چرخه خنک‌سازی را کلید می‌زند. به این ترتیب، آلیاژ TiNi تحت گرمایش چرخه‌ای، نقش محرک رفت‌وبارگشتی مورد نیاز TiNiFe را بازی می‌کند.

این عملگر حرارتی به نسبت نیرو به جابه‌جایی ۱۴.۵ نیوتن بر میلی‌متر دست یافت؛ عددی که در مقایسه با شاخص ۱.۱ نیوتن بر میلی‌متر در عملگرهای الکترومکانیکی تجاری، جهش چشمگیری محسوب می‌شود. علاوه بر این، ساختار فیلمی و نازک این قطعات، نسبت سطح به حجم بالایی را برای انتقال خاطراتی حرارت فراهم می‌سازد. در محرک‌های گرمایش الکتریکی (ژول)، این دستگاه متراکم پس از ۲۰ چرخه به شکاف دمایی پایدار ۴.۰ کلوین و توان برودتی ویژه ۴.۴۳ وات بر گرم رسید. با جایگزینی منبع حرارتی خارجی، این شاخص‌ها به ترتیب روی اعداد ۲.۲ کلوین و ۳.۳۲ وات بر گرم تثبیت شدند.

هنوز راه زیادی در پیش داریم

دستیابی به برودت از طریق منبع حرارتی بیرونی، نقطه عطف و اثبات واقعی این طرح مفهومی است. هرچند این فناوری هنوز در مراحل اولیه آزمایشگاهی به سر می‌برد، اما توسعه آن می‌تواند تحولی بنیادین ایجاد کند. در حالت عادی، انرژی گرمایی مورد نیاز چنین چرخه‌هایی از برق تامین می‌شود، اما سناریوی ایدئال، بازیافت گرمای پسماند موجود است؛ پتانسیلی که به‌وفور در دیتاسنترها یافت می‌شود. از این رو، فناوری خنک‌کننده حالت‌جامد از این ظرفیت بالقوه برخوردار است که پردازنده‌ها را با استفاده از گرمای تولیدی خود آنها خنک کند!

با وجود این، تا تجاری‌سازی و به‌کارگیری این تکنولوژی در دیتاسنترها راه درازی در پیش است. نمونه اولیه تنها ۲.۰۹ میلی‌وات توان برودتی تولید کرده است که فرسنگ‌ها با بار حرارتی سنگین پردازنده‌های امروزی، شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی و رک‌های سرور فاصله دارد. سرعت پایین تحریک، نرخ کرنش محدود و محدودیت‌های هندسی در مبدل‌های حرارتی فعلی از جمله موانعی هستند که دانشمندان به آنها اشاره کرده‌اند. علاوه بر این، باید مکانیسم کارآمدی برای چرخه‌ای کردن فرایند گرمایش طراحی شود. تیم تحقیقاتی هم‌اکنون در حال بررسی آرایش موازی چندین لایه برای ارتقای ظرفیت برودتی سیستم است. گام‌های بعدی مستلزم مقیاس‌پذیری مواد فعال، بهبود نرخ انتقال حرارت، افزایش فرکانس کاری و اثبات پایداری ساختار در بلندمدت خواهد بود. با وجود این، دانشمندان تا همین جا موفق شده‌اند زنجیره مبدل انرژی بی‌نظیری را به اثبات برسانند که در آن، گرما به حرکت مکانیکی و سپس به برودت کاربردی تبدیل می‌شود.

نوشته پردازنده‌های آینده خود را با حرارت خنک می‌کنند! اولین بار در Technoc. پدیدار شد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.