Инженеры придумали охлаждать мощные ИИ-процессоры с помощью кипящих капель
Инженеры из Университета Ватерлоо в Канаде нашли способ сделать охлаждение серверов для искусственного интеллекта дешевле и эффективнее. Результаты опубликованы в Journal of Colloid and Interface Science. Идея в том, что самые горячие участки процессора остужает одна капля кипящей жидкости.
Почему чипы перегреваются
Серверы, на которых работают нейросети, выделяют огромное количество тепла. Поэтому операторы дата-центров все чаще погружают процессоры и другие компоненты прямо в специальную охлаждающую жидкость. Этот метод называют иммерсионным охлаждением.
У него есть слабое место. В зависимости от нагрузки отдельные участки чипа могут нагреться намного сильнее остальных всего за несколько секунд. Из-за этого процессор замедляется, быстрее изнашивается и работает менее надежно. Жидкость, которая просто течет мимо, не успевает среагировать на такой скачок.
Разделение труда
Вверху показано, как делают каплю в оболочке. Игла продавливает каплю хладагента сквозь тонкую пленку масла, и та забирает часть масла с собой. Затем капля опускается сквозь воду и ложится на горячую точку чипа. Внизу сравниваются три варианта. Капля без оболочки плохо поддается контролю. Капля в масляной оболочке держит форму и кипит предсказуемо. Если в оболочку добавить керамические частицы, тепло передаётся лучше, а пузырьки пара появляются чаще, и охлаждение получается самым эффективным.
Команда Ватерлоо предложила гибридную схему. В нее вошли профессор Сушанта Митра, постдок Тянь-Юй Чжан и аспирант Арнав Банерджи. Основную работу выполняет дешевая деионизированная вода, то есть очищенная от растворенных солей. Она не проводит ток, поэтому безопасна для электроники. А на самые горячие точки подаются капли дорогого специального хладагента.
«Это разделение труда, — говорит Митра, профессор кафедры машиностроения и мехатроники. — Вода отлично справляется с ровным, постоянным теплом, а капли берут на себя внезапные всплески».
Что умеет одна капля
Исследователи выбрали хладагент для электроники, который кипит при гораздо более низкой температуре, чем вода. К тому же он тяжелее воды, поэтому не смешивается с ней и остается на месте, когда его помещают на горячий участок.
В лабораторных опытах чип с горячей точкой смоделировали и погрузили в бак с водой. Одна капля закипела и снизила температуру этой точки на 17 °C за 15 секунд. Это в несколько раз быстрее обычного иммерсионного охлаждения.
Весь секрет в кипении.
«Кипение поглощает много тепла, а поднимающиеся пузырьки перемешивают окружающую воду, и она быстрее уносит тепло, — объясняет Митра, исполнительный директор Института нанотехнологий Ватерлоо. — Мы получаем силу кипения, но только там и тогда, где это нужно».
Капля в оболочке
Чтобы управлять поведением капель, ученые использовали свою прежнюю разработку под названием инкапсуляция. Так называют упаковку одной жидкости в тонкую пленку другой. Хладагент заключили в оболочку из силиконового масла и добавили в нее мельчайшие керамические частицы, которые хорошо проводят тепло. Они помогают регулировать, как быстро капля закипает.
Авторы видят два возможных сценария. В первом капли свободно циркулируют в воде и срабатывают, когда попадают на горячую точку. Во втором датчики находят перегрев, и капли подаются прямо на него.
Применять подход можно не только в дата-центрах. Исследователи называют также электромобили, аккумуляторы, мощные лазеры и светодиодное освещение.
