MỸ – Các nhà nghiên cứu tại Mỹ và Nhật Bản đã phát triển thành công một công nghệ mới giúp làm mát chip máy tính hiệu quả hơn so với các phương pháp hiện tại. Dự án nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science.

Bằng cách kết hợp thuật toán toán học với kỹ thuật in 3D tiên tiến, đội ngũ kỹ sư cơ khí đã chế tạo ra các tấm tản nhiệt (cold plate) (*) bằng đồng nguyên chất. Thành phẩm không chỉ vượt trội hơn các tấm tản nhiệt truyền thống về hiệu suất mà còn sử dụng ít năng lượng vận hành hơn. Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, nếu được áp dụng để làm mát cho một trung tâm dữ liệu, công nghệ này sẽ chỉ sử dụng gần 1,1% tổng lượng điện năng tiêu thụ của toàn hệ thống, một con số mang tính hiệu quả cao khi so với mức hơn 30% của các phương pháp làm mát truyền thống bằng không khí.
(*) Cold plate: là một linh kiện đóng vai trò như một bộ trao đổi nhiệt phẳng, được gắn trực tiếp lên bề mặt của các cấu phần điện tử phát ra nhiều nhiệt (như CPU, GPU, hoặc các linh kiện công suất cao). Cold plate có tác dụng hấp thụ lượng nhiệt tỏa ra từ linh kiện, sau đó truyền lượng nhiệt này vào một dòng chất lỏng (chất làm mát) đang tuần hoàn liên tục bên trong hoặc đi qua bề mặt của nó để mang nhiệt ra ngoài môi trường.

Ông Behnood Bazmi, kỹ sư cơ khí tại đại học Illinois Urbana-Champaign (Mỹ) và là tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Hệ thống tản nhiệt hiện là trở ngại lớn nhất trong việc nâng cao hiệu năng thiết kế của chip máy tính. Bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết mô phỏng trên máy tính và năng lực chế tạo trong thực tế, giải pháp của nhóm nghiên cứu đã tạo ra bước đột phá cho công nghệ làm mát bằng chất lỏng hiệu quả hơn, sẵn sàng ứng dụng rộng rãi từ chip vi xử lý đến các hệ thống điện tử cấu hình cao.”

Chip máy tính ngày càng có hiệu năng cao hơn, đồng nghĩa với việc chúng tỏa ra nhiều nhiệt hơn. Thực trạng này, cộng hưởng với sự bùng nổ của các trung tâm dữ liệu, đang đặt một áp lực lớn lên lưới điện quốc gia. Dự kiến đến năm 2028, các trung tâm dữ liệu sẽ sử dụng đến 12% tổng lượng điện lưới tại Mỹ (và con số này tại Úc dự kiến đạt mức 11% vào năm 2035).

Trong 40 đến 50 năm qua, chip máy tính vẫn được làm mát bằng cách lưu thông không khí. Tuy nhiên, gió giờ đây đã không còn đủ sức để giải nhiệt cho những dòng chip hiện đại vốn có nhiệt lượng cao. Các nhà nghiên cứu nhận định, giải pháp làm mát bằng chất lỏng trực tiếp trên chip (direct-to-chip cooling) chính là giải pháp hiệu quả hơn cho vấn đề này.

Hệ thống làm mát trực tiếp trên chip cấu thành từ một tấm tản nhiệt được gắn chặt vào bề mặt chip. Các tấm tản nhiệt này có một hệ thống các “vây” (fin) kim loại xếp sát nhau, nhô ra phía dòng chất lỏng để tối đa hóa diện tích tiếp xúc với dung dịch làm mát. Dù một số hệ thống làm mát bằng chất lỏng trực tiếp trên chip đã có mặt trên thị trường, nhưng theo nhóm nghiên cứu, các sản phẩm này vẫn đang ưu tiên cắt giảm chi phí sản xuất hơn là tối ưu hóa hiệu năng. Vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu lần này là tối ưu hóa thiết kế của các vây kim loại nhằm tạo ra những tấm tản nhiệt có khả năng làm mát hiệu quả nhất.

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng một kỹ thuật gọi là “topology optimization” (tạm dịch là ‘tối ưu hóa cấu trúc’). Bắt đầu từ phom dáng hình chữ nhật đơn giản ban đầu, kỹ thuật này sử dụng một thuật toán toán học để điều chỉnh hình dáng của các vây kim loại. Qua mỗi lần thiết kế, thuật toán sẽ tính toán chính xác khả năng làm mát cũng như lượng điện năng cần thiết để bơm chất lỏng chạy qua hệ thống vây này.

Ông Nenad Miljkovic, tác giả chịu trách nhiệm chính của nghiên cứu và là kỹ sư cơ khí tại đại học Illinois Urbana-Champaign, nói rằng: “Quá trình tối ưu hóa cấu trúc sẽ hội tụ trong một thiết kế tối ưu nhất: vừa tối đa hóa hiệu suất giải nhiệt, vừa tối thiểu hóa công suất bơm dung dịch”.

Hệ thống vây tản nhiệt do nhóm chế tạo có hình dáng phức tạp và góc cạnh hơn so với các loại vây truyền thống vốn thường chỉ là hình chữ nhật, hình nón hoặc hình trụ đơn giản. Vì thiết kế này quá khó để chế tạo bằng các kỹ thuật truyền thống, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với công ty Fabric8 để áp dụng phương pháp sản xuất tiên tiến “ECAM – electrochemical additive manufacturing” (tạm dịch là ‘chồng lớp điện hóa’) nhằm tạo ra các tấm tản nhiệt bằng đồng với hệ thống vây tối ưu này. Thay vì nung chảy đồng, công nghệ ECAM dựa trên nguyên lý mạ điện hóa để lắng đọng các phân tử đồng và tạo các vây tản nhiệt theo từng lớp, từ dưới lên.

Đồng nguyên chất có độ dẫn nhiệt cao, nhưng lại rất khó để in 3D. Do đó, hầu hết các tấm tản nhiệt hiện nay đều được làm từ hợp kim nhôm (AlSiMg) hoặc thép không gỉ, những vật liệu vốn không phải là lựa chọn tối ưu nhất cho việc truyền nhiệt.

Ông Miljkovic nói tiếp: “Công nghệ ECAM có thể chế tạo các chi tiết bằng đồng nguyên chất với độ tinh xảo cao, kích thước từ 30 đến 50 micromét, nhỏ hơn sợi tóc con người”.

Khi so sánh hiệu suất làm mát của một tấm tản nhiệt đồng tối ưu hóa với các tấm tản nhiệt sử dụng vây hình chữ nhật truyền thống, nhóm nghiên cứu nhận thấy thiết kế tối ưu cho hiệu quả làm mát cao hơn tới 32%. Đồng thời, giúp giảm sụt áp (ít tốn công suất để đẩy chất lỏng chạy qua tấm tản nhiệt) đến 68% trong khi vẫn giữ nguyên hiệu suất giải nhiệt. Các nhà nghiên cứu cho biết, trên quy mô của một trung tâm dữ liệu, điều này sẽ mang lại khoản tiết kiệm năng lượng lớn so với cả hệ thống làm mát bằng không khí lẫn các hệ thống làm mát bằng chất lỏng hiện có trên thị trường.

Ví dụ, một trung tâm dữ liệu có công suất tính toán 1 gigawatt (GW) sẽ phải tiêu tốn gần 550 megawatt (MW) điện chỉ để vận hành hệ thống làm mát bằng không khí. Điều này đồng nghĩa với việc nó tiêu thụ tổng cộng 1,55 GW điện năng, trong đó 1 GW dùng cho các tác vụ như ChatGPT, tìm kiếm và lưu trữ, còn 550 MW còn lại chỉ để hạ nhiệt. Ông Miljkovic khẳng định: “Với các tấm tản nhiệt của nhóm nghiên cứu, các trung tâm dữ liệu chỉ cần dùng 11 megawatt cho việc làm mát thay vì 550 megawatt”.

Các nhà nghiên cứu cho biết công nghệ của họ hoàn toàn có thể mở rộng quy mô để thiết kế các hệ thống làm mát tối ưu cho các thiết bị điện tử khác, và cả các ứng dụng phi điện tử. Tác giả Behnood Bazmi kết luận: “Quy trình làm việc của nhóm nghiên cứu có thể áp dụng cho rất nhiều vấn đề làm mát khác nhau ở tất cả các quy mô kích thước”.

Để xem các tin bài khác về “Tản nhiệt”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online