隨著人工智能（AI）使用的快速增長(zhǎng)，高性能半導(dǎo)體消耗的能源也在不斷增加。為了減少能源使用，普渡大學(xué)的研究人員正在與英特爾合作，開(kāi)發(fā)珊瑚形狀的散熱器，以徹底改變基于浸沒(méi)的芯片冷卻技術(shù)。

這種普渡大學(xué)設(shè)計(jì)的散熱器旨在最大化冷卻浸沒(méi)在液體中的高性能AI芯片。其形狀是通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的，類(lèi)似于珊瑚礁。

“我們的研究表明，沸騰是一種有效且高效的冷卻方式，尤其適用于用于AI應(yīng)用的高功率芯片，”普渡大學(xué)機(jī)械工程教授、冷卻技術(shù)研究中心（CTRC）主任Justin A. Weibel表示。“現(xiàn)在，我們正在與英特爾合作，推動(dòng)一項(xiàng)巨大的進(jìn)步，設(shè)計(jì)出一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)雙相浸沒(méi)冷卻的拓?fù)鋬?yōu)化3D散熱器。”

這項(xiàng)為期三年、金額為171萬(wàn)美元的資助（由普渡大學(xué)與英特爾合作）來(lái)自美國(guó)能源部的ARPA-E（先進(jìn)研究項(xiàng)目局-能源）。

在雙相浸沒(méi)冷卻中，半導(dǎo)體本身浸沒(méi)在一種絕緣液體中。芯片的熱量使液體沸騰，氣泡帶走熱量。而關(guān)鍵技術(shù)則體現(xiàn)在與芯片連接的散熱器上。

該珊瑚形狀散熱器的設(shè)計(jì)來(lái)源于拓?fù)鋬?yōu)化。

“這里的突破是使用拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)浸沒(méi)冷卻的散熱器，”Weibel說(shuō)道。“如果我們將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的散熱器連接到高功率浸沒(méi)冷卻的芯片上，氣泡甚至不會(huì)在大多數(shù)表面上形成。我們必須通過(guò)一種新的設(shè)計(jì)過(guò)程，根據(jù)沸騰過(guò)程的模型來(lái)塑造表面。”

在拓?fù)鋬?yōu)化中，計(jì)算機(jī)模擬會(huì)迭代生成設(shè)計(jì)的數(shù)千個(gè)版本，每次略微改變?cè)O(shè)計(jì)，比較哪個(gè)版本的效果更好。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程，最終的“理想”形狀與珊瑚相似。

“如果你從自然界看，這是很富有詩(shī)意的，”Weibel說(shuō)。“珊瑚生活在水下，它們的形狀有其原因。所以，當(dāng)我們讓算法設(shè)計(jì)一個(gè)浸沒(méi)在液體中的散熱器時(shí)，最終的形狀仿佛是模仿了自然界的生物。”

設(shè)計(jì)的另一個(gè)元素是沸騰增強(qiáng)涂層，將應(yīng)用于散熱器上，由該項(xiàng)目的另一合作伙伴Advanced Cooling Technologies制造。這種細(xì)顆粒涂層旨在在散熱器表面創(chuàng)造更多微小的成核點(diǎn)，從而促使更多氣泡形成。

“這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，我們可以設(shè)計(jì)出緊湊的散熱器，將多個(gè)散熱器緊密放置，”Weibel說(shuō)。“將多個(gè)散熱器排成一排，就像數(shù)據(jù)中心中的真正芯片一樣，這種‘珊瑚礁’形狀的銅散熱器可以完全被動(dòng)地冷卻這些高性能芯片，從而最大化系統(tǒng)的整體能效。”

英特爾的代表最近參觀(guān)了普渡大學(xué)的Birck納米技術(shù)中心，以及Rosen先進(jìn)計(jì)算中心。“他們被我們這里的研究成果震撼了，”Weibel表示。“我的學(xué)生們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，將他們的芯片與我們的散熱器結(jié)合起來(lái)。這是一次非常積極的訪(fǎng)問(wèn)，大家都期待進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并查看結(jié)果。”

該項(xiàng)目是ARPA-E COOLERCHIPS計(jì)劃的一部分，旨在創(chuàng)建更高效的數(shù)據(jù)中心。這是普渡大學(xué)研究人員參與的多個(gè)COOLERCHIPS項(xiàng)目之一，同時(shí)也符合普渡大學(xué)的Purdue Computes計(jì)劃，這一計(jì)劃強(qiáng)調(diào)計(jì)算、數(shù)據(jù)科學(xué)、半導(dǎo)體以及人工智能的物理實(shí)現(xiàn)。

“我們的總體目標(biāo)是減少數(shù)據(jù)中心的能源消耗，”Weibel說(shuō)。“如果我們僅通過(guò)散熱器的物理形狀做到這一點(diǎn)，就能避免使用大型泵、風(fēng)扇和其他組件。如果將這種技術(shù)推廣到多個(gè)數(shù)據(jù)中心，節(jié)省的能源和運(yùn)營(yíng)成本將是巨大的。”

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