Chip làm mát bằng laser: Phương pháp làm mát sáng tạo loại bỏ nhiệt chính xác khỏi các điểm nóng, tái chế nhiệt thành năng lượng

Một công ty khởi nghiệp tên là Maxwell Labs, được hỗ trợ bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, đang phát triển công nghệ làm mát phần cứng máy tính hiệu suất cao bằng laser. Việc tản nhiệt đã trở thành một thách thức lớn cho các trung tâm dữ liệu hiện đại, dẫn đến việc thử nghiệm nhiều phương pháp làm mát khác nhau trong những năm gần đây. Ngành công nghiệp trước đây chủ yếu sử dụng làm mát bằng không khí, sau đó đã chuyển sang thử nghiệm làm mát bằng nước, bao gồm nước ấm, nước lạnh, và cả làm mát ngâm.

Có một phương pháp mới chưa được sử dụng để làm mát, đó là sử dụng laser. Một công ty khởi nghiệp có tên Maxwell Labs, với sự hỗ trợ từ Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, đang phát triển cách làm mát phần cứng máy tính hiệu suất cao bằng cách sử dụng các tấm lạnh đặc biệt làm từ arsenide gallium cực tinh khiết. Những tấm này sẽ được làm mát khi nhận được các chùm laser đồng pha với bước sóng nhất định.

Thay vì sử dụng nhiệt, thường thấy trong các tương tác với chùm sáng mạnh, thiết lập này cho phép bán dẫn GaAs tản nhiệt ở các vị trí chính xác nhờ tính di động cao của electron. Phương pháp này hứa hẹn hỗ trợ các hệ thống làm mát truyền thống thay vì thay thế chúng. Để áp dụng vào thực tế, các bán dẫn GaAs được cấu trúc thành các thành phần mỏng đặt trực tiếp trên các khu vực phát nhiệt cao của bộ xử lý.

Các mẫu vi mô trong chất bán dẫn hướng các chùm ánh sáng đồng bộ đến những điểm nóng, tạo ra sự làm mát cục bộ cao, đảm bảo hiệu suất bằng cách kiểm soát nhiệt độ chính xác tại nơi gặp vấn đề, thay vì làm mát toàn bộ hệ thống bằng GaAs và laser. Kỹ thuật này có nguồn gốc từ các nghiên cứu năm 2012 tại Đại học Copenhagen, nơi họ đã làm mát một màng nhỏ xuống -269°C bằng phương pháp tương tự.

Kỹ thuật này có khả năng tái thu hồi năng lượng nhiệt đã bị mất, theo Maxwell. Thay vì bị tỏa ra môi trường, năng lượng nhiệt từ các chip có thể được phát ra dưới dạng photon hữu ích, có thể chuyển đổi trở lại thành điện năng. Mặc dù điều này làm tăng hiệu suất năng lượng tổng thể của hệ thống máy tính, nhưng hiệu quả của quá trình này vẫn còn phải được chứng minh.

Chi phí cao và thách thức trong sản xuất Việc sử dụng bán dẫn GaAs để làm mát là một sáng kiến, nhưng gặp phải nhiều thách thức về chi phí và khả năng sản xuất. Đầu tiên, việc sản xuất wafer GaAs siêu tinh khiết đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng như epitaxy chùm phân tử (MBE) hoặc lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD). Do đang xử lý các lớp tinh thể siêu tinh khiết, tỷ lệ khuyết tật có thể cao, ảnh hưởng đến chi phí.

Hiện tại, một wafer 200 mm làm từ GaAs có giá khoảng 5,000 USD, trong khi wafer silicon cùng kích thước chỉ khoảng 5 USD, theo WaferWorld. Transistor GaAs không thể tích hợp liền mạch vào chip silicon truyền thống trên cùng một wafer. Tuy nhiên, nếu muốn sử dụng transistor GaAs để làm mát các chip hay chiplet truyền thống, có thể áp dụng kỹ thuật tích hợp 3D không đồng nhất hoặc liên kết wafer, những phương pháp quen thuộc trong các hệ thống sử dụng quang học silicon.

Mặc dù các kỹ thuật này khá đắt đỏ, nhưng vẫn không tốn kém bằng các tấm wafer GaAs. Hiện tại, khái niệm này vẫn đang ở giai đoạn thí nghiệm và mô hình hóa. Giám đốc điều hành Maxwell Labs, Jacob Balma, cho biết các mô phỏng cho thấy phương pháp có tiềm năng, nhưng chưa được xác nhận qua thử nghiệm thực tế vì các thử nghiệm trước đây chỉ giới hạn ở các thành phần riêng lẻ chứ không phải toàn bộ hệ thống.

Maxwell Labs dự kiến hoàn thành nguyên mẫu hoạt động vào mùa thu năm 2025. Họ đã tìm được những người dùng đầu tiên cho phiên bản MXL-Gen1 và sẽ cung cấp hệ thống ban đầu trong hai năm tới. Dự kiến sẽ mở rộng truy cập vào cuối năm 2027, nếu phát triển diễn ra đúng tiến độ.

Nguồn: www.tomshardware.com/tech-industry/cooling-chips-with-lasers-innovative-cooling-method-removes-heat-precisely-from-hot-spots-recycles-heat-into-energy