3D-Printed Bare-Die Liquid Chip Coolers Smash Barriers, hanggang 3.5X Pagpapabuti

(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)

Ang isang serye ng mga 3D-printed processor cooler ay isa sa mga pinaka-kagiliw-giliw na presentasyon sa ITF World, isang kumperensya na hino-host ng chip research giant imec sa Antwerp, Belgium. Ang mga prototype na waterblock na ito ay nagpapalakas ng kakayahang magpalamig ng mga siksik na processor, tulad ng mga CPU at GPU, nang hanggang 3.5X sa mga uri ng solusyon na nakikita natin sa pinakamahuhusay na mga cooler ng CPU ngayon, kaya pinapagana ang mas mataas na densidad ng kuryente at naa-unlock ang hindi pa nagagamit na pagganap sa mga modernong chip. Ang mga resulta ng pananaliksik na ito ay maaaring humantong sa mga radikal na bagong watercooler para sa lahat ng uri ng chips.

Lumilitaw ang bare-die cooling na direktang pinipilit ang likido sa ibabaw ng processor die bilang isa sa mga pinaka-halatang hakbang pasulong upang harapin ang labis na init na dulot ng mga mas bagong chips, at ang imec ay nangunguna sa mga bagong diskarte upang ma-unlock ang buong pagganap ng pinakamakapal mga node ng proseso. Iyon ay nagiging mas mahalaga sa bawat bagong henerasyon ng mga chips habang ang pagkonsumo ng kuryente ay tumataas dahil sa lumiliit na pagbawas ng power scaling na may mas maliliit na node. Bukod pa rito, ang mas maliliit na transistor ay nagtutulak sa densidad ng kapangyarihan na mas mataas, nagpapakumplikado sa mga pagsisikap sa paglamig at sa huli ay naghihigpit sa pagganap ng chip.

Ang pangwakas na layunin para sa mga taga-disenyo ng chip ay upang makakuha ng mas maraming gawain sa isang mas maliit na espasyo. Gayunpaman, ang mga chips ngayon ay limitado na sa kapangyarihan, at ang mga bahagi ng ‘madilim na silikon’ ay naka-off habang ang chip ay gumagana upang manatili sa loob ng ilang partikular na TDP at mga limitasyon sa temperatura. Ibig sabihin, karamihan sa mga chips ay gumagamit lamang ng bahagi ng kanilang potensyal sa panahon ng normal na operasyon. Bukod dito, tumitindi lang ang problema sa bawat henerasyon ng mga chip — ang mga modernong CPU tulad ng Epyc Genoa ng AMD ay nangunguna na sa 400W, at ang mga roadmap ay tumuturo sa 600W na mga chip ng server sa hinaharap.

Kabaligtaran sa karaniwang watercooling approach na gumagamit ng self-contained waterblock na may malamig na plate na nilagyan ng chip heatspreader upang palamig ang processor, ang prototype na 3D-printed cooler na nakalarawan sa album sa ibaba ay pinipilit ang likido nang direkta sa ibabaw ng hubad na processor na mamatay, kaya pagpapabuti ng mga kakayahan sa paglamig sa pamamagitan ng pagbomba ng coolant nang direkta sa ibabaw ng processor.

Larawan 1 ng 11

(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)

Ang mga waterblock na naka-print na 3D ay nagbibigay-daan sa mabilis na pag-prototyping, at ang imec ay gumagamit ng iba’t ibang uri ng mga karaniwang polymer na ginagamit sa pag-print ng 3D upang matiyak na kakayanin ng mga waterblock ang mga pagkarga ng temperatura. Hindi malinaw kung maaaring i-print ng isa ang mga disenyong ito sa isa sa pinakamahusay na 3D printer.

Ang mga waterblock na naka-print na 3D ay maaaring i-customize sa maraming iba’t ibang paraan, na may mga custom na array ng nozzle (makikita mo ang mga ito sa mga larawan) na direktang sumasabog sa ibabaw ng chip sa mga target na lugar, tulad ng direkta sa mga indibidwal na core o mga lugar na nagdudulot ng mataas na init. ng chip na ginagamit para sa mga operasyon ng vector, upang mapabuti ang mga kakayahan sa paglamig.

Ang mga waterblock ay custom-fit din upang kumonsumo ng pinakamaliit na espasyo na posible at kasalukuyang gumagamit ng O-Ring upang maiwasan ang pagtagos ng likido mula sa paligid ng waterblock. Naturally, ang imec ay nag-eeksperimento sa ilang iba’t ibang uri ng mga mekanismo ng sealing at iba’t ibang uri ng 3D printing materials para sa mga bloke.

Halos anumang dielectric na likido ay maaaring gamitin sa mga cooler na ito, tulad ng ginagamot na tubig o mga nagpapalamig. Naturally, kahit na ang likido ay hindi conductive, ang bare-die liquid cooling ay nangangailangan ng sealing sa mga lugar sa paligid ng chip, tulad ng mga capacitor at iba pang electronic circuitry sa PCB. Gayunpaman, upang panatilihing malapit ang coolant sa chip hangga’t maaari, ang tuktok ng die ay walang anumang sealant. Ang mga mananaliksik ay nagbomba ng likido nang direkta sa ibabaw ng makinis na ibabaw ng die, ngunit ang iba pang mga diskarte, tulad ng pagdaragdag ng mga striations sa tuktok ng die, ay maaaring mag-unlock ng higit pang cooling performance.

Ang mga sealant ay nagdudulot ng mga pangmatagalang hamon sa pagiging maaasahan dahil sa mabilis na thermal cycling at pakikipag-ugnayan sa iba’t ibang coolant na ginagamit sa system. Gayunpaman, ang imec ay gumagawa ng paraan upang mahanap ang tamang halo ng lahat ng mga materyales upang matiyak ang pangmatagalang pagiging maaasahan.

Larawan 1 ng 13

(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Kredito ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)(Credit ng larawan: Tom’s Hardware)

Ang album sa itaas ay naglalaman ng ilang mga slide na nagbabalangkas sa mga eksperimento ng mananaliksik. Sa pangkalahatan, ang pagpapalamig ng higit sa 100W ng kapangyarihan sa bawat square centimeter ay napatunayang hindi kapani-paniwalang problema, na humahantong sa isang pangkalahatang tuntunin ng thumb na ang pagkalat ng 1W ng kapangyarihan sa 1 square MM ng silicon ay nagbibigay-daan para sa epektibong paglamig. Ang densidad ng kuryente ay tumataas nang may mas maliliit na node ng proseso, gayunpaman, kaya ang pagtaas ng kakayahang mag-alis ng init mula sa mas mataas na mga konsentrasyon ng kuryente ay pinakamahalaga upang magpatuloy sa pag-unlock ng karagdagang pagganap.

Tandaan, ang mas maraming pagkonsumo ng kuryente ay kadalasang katumbas ng mas maraming pagganap ng chip (may mga caveat – maaaring magdusa ang kahusayan). Sinasabi sa amin ng mga mananaliksik ng imec na maaari silang magpalamig ng hanggang 1,000W sa isang parisukat na sentimetro (100W bawat mm^2), o kahit hanggang 500W sa isang mm^2, ngunit ang uri ng pagpapalamig na pagganap ay hindi kumakatawan sa karaniwang pagganap dahil hindi ito mahusay na sukat sa isang buong chip.

Sa mga karaniwang application, ang mga chip cooler na ito ay maaaring paganahin ang hanggang 350W na kapasidad ng paglamig bawat square centimeter, o humigit-kumulang 3.5W bawat mm^2 — isang 3.5X na pagtaas kaysa sa karaniwang nakikita ngayon. Gaya ng ipinapakita sa album sa itaas, magbibigay-daan ito sa mga taga-disenyo ng chip na patuloy na itulak ang mga limitasyon ng pagganap na may mas konserbatibong pamamaraan kaysa sa single- at two-phase cooling solution na kakailanganing lumampas sa 4W per mm^2.

Naturally, ito ay isang simplistic na pagtingin sa kung paano gaganap ang mga cooling solution na ito, kasama ang maraming iba pang mga variable, tulad ng mga delta ng temperatura at iba pang mga kadahilanan, na kinakailangan upang sukatin nang maayos ang iba’t ibang mga merito ng diskarte. Gayunpaman, isang bagay ang tiyak — ang diskarte na ito ay nagmamarka ng isa sa mga pinakamadaling paraan upang palakasin ang mga kakayahan sa paglamig na may makatwirang halaga ng tumaas na gastos. Ang iba pang mga diskarte, tulad ng pananaliksik ng TSMC na nagmumungkahi ng pagbomba ng coolant sa pamamagitan ng mga microchannel sa loob mismo ng chip, ay malinaw na mas kakaiba at sa gayon ay magastos at mas malayo sa abot-tanaw.

Ang mga pagsisikap ng Imec ay nasa yugto pa rin ng pananaliksik habang ang mga mananaliksik ay nagsusumikap sa pagtukoy ng mga tamang materyales, likido, at mga disenyo na magbibigay-daan sa paglikha ng mga mass-produced na solusyon sa pagpapalamig, na ang pinakaunang mga produkto ng pananaliksik na ito ay malamang na tumagal ng limang taon bago sila mag-filter sa merkado.