Technologie | Superpočítače | vodní chlazení

Zapomeňte na hlučné větráky. Inženýři chtějí dostat vodní chlazení do nitra čipu

  • Čipy jsou sice stále efektivnější, ale také výkonnější
  • Teplo je problém a konzervativní chlazení nic moc
  • Švýcaři navrhli odvážný plán. V laboratoři funguje skvěle

Současné desktopové, laptopové, mobilní a nakonec i průmyslové/IoT čipsety jsou neuvěřitelně energeticky úsporné. Byť tak často nadáváme na výdrž chytrých hodinek i oněch dotykových tatranek v kapse, které i po deseti letech pracují nejvýše pár dnů, často zapomínáme, že je už nepohání prehistorický jednojádrový čipset s taktem v řádu stovek MHz, ale poměrně sofistikovaná hybridní armová platforma sestavená z hromady jader.

Stručně řečeno a ještě jednou, pokud nejste spokojení s tím, že vám telefon v praxi vydrží den a večer míří do nabíječky, připomeňte si, že má při stejné spotřebě i o několik řádů vyšší souhrnný výkon než před deseti lety a jeho telekomunikační obvody se musejí poprat s něčím tak neuvěřitelně složitým jako je modulace a digitální zpracování informace poletující skrze Wi-Fi 5 – o ještě komplikovanějším 5G ani nemluvě.

Zatímco před dvaceti lety byste na 802.11ac a všechny jeho doprovodné technologie potřebovali rádiový superpočítač, dnes to všechno zvládne několik obvodů velikosti zrnka rýže.

Teplo, kam se podíváš

Elektronika je tedy díky stále se zmenšující výrobní technologii rok od roku efektivnější na watt spálené energie, zákony fyziky ale platí pro každého, a tak přece jen platíme vysokým odpadním teplem.

Teplem, které musíme někam předat. Když nám loni do redakce dorazila malá destička Coral velikosti Raspberry Pi a s titěrným čipem Edge TPU od Googlu pro zpracovávání neuronových sítí, musel na něm být připevněný masivní ventilátor s mohutným žebrovím.

Klepněte pro větší obrázek
ASIC A.I. čip EdgeTPU je sice maličký a v této kategorii úsporný...

Titěrný čip se totiž při zátěží během několika sekund rozžhaví natolik, že se o hliníkový pasivní chladič snadno spálíte. Není divu, jeho ASIC obvod za jednu jedinou sekundu zpracuje 4 biliony operací (4 TOPS), a přitom k tomu potřebuje pouhé 2 W elektrické energie – vyzáří se právě jako teplo.

Klepněte pro větší obrázek
Ale přesto potřebuje masivní chlazení (zde na vývojové armové desce Google Coral)

Čip tedy šíleně topí, a přitom je to prosím jeden z nejúspornějších A.I. integrovaných obvodu na trhu. Jak pak asi topí ty nejvýkonnější specializované počítače, které propálí více elektřiny než váš celotýdenní binge-watching na Netflixu?

Nemusíme jít přitom příliš daleko. Zůstaňme u Googlu, který má vedle maličkých čipů Edge TPU také velké Cloud TPU pro datová centra.

Topí datacentra i superpočítače

Cloud TPU hravě překonávají hardwarovou akceleraci na těch nejvýkonnějších GPU kartách současnosti, jedná se však o ASIC obvody, které pochopitelně nelze použít k ničemu jinému než ke zpracovávání neuronových sítí. Takový Cloud TPU třetí generace bez problému spočítá 420 TFLOPS, a když podobnými kartičkami vyskládáte rackovou skříň, vyrobíte si tzv Cloud TPU v3 Pod s výkonem, který přesáhne 100 PFLOPS.

Klepněte pro větší obrázek
Nejvýkonnější A.I. procesor současnosti

Jen připomenu, že nejrychlejší superpočítačový cluster současnosti, japonský Fugaku, sice dosahuje změřeného výkonu 415 PFLOPS (teoretického konstrukčního pak 514 PFLOPS), potřebuje k tomu ale 7,3 milionů jader procesoru Fujitsu A64FX (48 jader vlastního návrhu, kompatibilní s instrukční sadou ARMv8.2-A).

Klepněte pro větší obrázek
Superpočítač Fugaku s příkonem fabriky

Fugaku za běhu spálí nejméně 28 MW elektrické energie, což odpovídá opravdu mnoha, mnoha USB-C nabíječkám s podporou toho nejvýkonnějšího rychlodobíjení na trhu, a účet za elektřinu by tedy nechtěl platit nikdo z vás. Přesto je to ale i tak hotová pohádka.

I tento zdánlivě nenažraný Fugaku je totiž dokladem neuvěřitelného technologického pokroku, jen pár let staré sálové superpočítače se zlomkem jeho výkonu totiž propálí i několikanásobně více.

Jak uchladit stále výkonnější čipy?

Mobily, nová generace A.I. akcelerátorů, superpočítače… Připomenuli jsme si, že power-management a výkon udělaly za poslední roky ohromný skok vpřed a moderní integrované obvody jsou energeticky stále efektivnější. Ale co naplat, jsou také stále rychlejší, a pokud se nemají ve špičce roztavit, je třeba je nějakým způsobem uchladit.

Klepněte pro větší obrázek
Standardní komerční vodní chlazení pro servery od Alphacool

Inženýři a vědci v primárním i aplikovaném výzkumu se o to samozřejmě snaží od nepaměti. Zatímco vašemu mobilu a laptopu stačí co nejefektivnější ULV čipset a co nejefektivnější rozložení vedení tepla do okolí, A.I. procesory, cloudové mašiny a superpočítače už potřebují něco vhodnějšího.

Pouhé odvádění tepla v kovovém vedení a proudění vzduchu přestává stačit, a tak nastupuje chladící kapalina. Někteří ponoří celý server do oleje, Microsoft experimentuje se speciálními výpočetními jednotkami ponořenými v kapslích pod hladinou moře, no a vědci z jedné z nejslavnějších polytechnik světa – švýcarské École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) šli ještě o několik úrovní níže.

Co kdyby bylo chlazení součástí čipu?

Namísto toho, aby technika chlazení a integrovaný obvod vznikaly oddělené jako dvě různé entity, což sebou přináší příliš mnoho integračních kompromisů, zkusili navrhnout integrovaný obvod i jeho vodní chlazení dohromady.

Klepněte pro větší obrázek
Experimentální chlazení kapalinou, které je na mikroskopické úrovní integrované přímo do integrovaného obvodu. Teplo odvádí kapiláry naplněné vodou přímo pod tranzistory čipu.

To v praxi znamená, že čip je chlazený mikroskopickým vedením, které je zabudované přímo v jeho nitru. Do podloží jsou vyvrtané mikroskopické kapiláry, kterými může proudit tekutina až pod jednotlivá tranzistorová pole, odebírat teplo a odvádět jej cirkulací ven z čipu.

Klepněte pro větší obrázek
Různé typy konstrukce mikroskopických drážek a kapilár

V první fází se autoři technologie zaměřili na silovou elektroniku – oblast obvodu určenou k napájení. Patří sem třeba nejrůznější elektrické měniče, usměrňovače a další součástky, které za provozu vyzáří podstatnou část energie jako odpadní teplo. Právě toto teplo pak limituje i množství energie, které může obvodem projít, aniž by došlo k jeho zničení.

Namísto 250 °C pouhých 27 °C

Když inženýři z Lausanne použili konzervativní přístup a chlazení vzduchem, teplota uvnitř experimentálního AC/DC usměrňovače dosáhla už při výstupní energii okolo 10 W na 250 °C. Když poté použili upravený čip s vlastním vodním mikrochlazením, vnitřní teplota dosáhla při stejné zátěži na pouhých 27 °C.

Klepněte pro větší obrázek
Experimentální AC/DC usměrňovač s integrovaným chlazením. Všimněte si trysek pro vstup/výstup chladící kapaliny na snímku vpravo nahoře.

Velmi efektivní chlazení potvrdily i další metriky, se kterými se autoři experimentu pochlubili v čerstvém vydání časopisu Nature (PDF). Snad tedy ještě jedno číselné srovnání. Představte si tepelný hotspot s hustotou energie 1 700 W/cm2. Může to být třeba zrovna jádro rozžhaveného lineárního měniče, střed zatíženého výpočetního čipu atp.

Vodní technologie z Lausanne jej dokáže díky své integraci přímo do nitra polovodičového obvodu zchladit na obvyklou úroveň dodáním pouhého zlomku energie 0,57 W/cm2! Vodní a vysoce integrované chlazení je tedy zároveň samo o sobě velmi úsporné.

Datacentra v USA propálí 24 TWh

Podle autorů studie jen datacentra v USA každý rok spotřebují 24 TWh elektrické energie a 100 milionů kubíků chladící kapaliny – povětšinou vody. To je asi tolik elektřiny, kolik spotřebuje celá Filadelfie, porovnávají v článku. Energetická zátěž celého sektoru IT se přitom bude v dalších letech nadále zvyšovat. S využitím podobné technologie vodního mikrochlazení přímo na čipu, by to mohlo být mnohem méně.

Jenže tak jednoduché to samozřejmě nebude. Zatím není jasné, jak se bude čip s vodními kapilárami přímo ve svém nitru chovat v delším časovém úseku, což se týká zejména jeho membrán z nitridu gália a měděného těsnění. Přechod na tuto techniku chlazení by také vyžadoval proměnu samotné výrobní technologie integrovaných obvodů. Je to sice relativně snadné v laboratoři, masová komerční výroba je ale poněkud jiné sousto.

V každém případě, pokud to vyjde, jednou se možná i naše počítače a laptopy obejdou bez hlučných ventilátorů a vodních pump si díky jejich miniaturizaci ani nevšimneme, budou mít totiž velikost nějakého toho superkondíku.

Diskuze (24) Další článek: Univerzity jako covidová časovaná bomba?

Témata článku: Technologie, Hardware, Microsoft, Google, Počítače, USA, Netflix, Wi-Fi, Superpočítače, Fujitsu, PDF, Hotspot, vodní chlazení, Integrovaný obvod, Laboratoř, Google Coral, Nitro, Teplo, Filadelfie, Čip, Nature, Superpočítač Fugaku, Alphacool, Racková, Chlazení


Určitě si přečtěte

Jak uložit dokument z Wordu, aby vydržel celé roky? Je to těžší než cesta na Mars

Jak uložit dokument z Wordu, aby vydržel celé roky? Je to těžší než cesta na Mars

** Jak uložit soubory, aby vydržely vnoučatům? ** A co kdyby měly přečkat celá staletí? ** Teď se o to pokouší GitHub a je to oříšek i pro lingvisty

Jakub Čížek | 119

Apple vychrlil novinky: Nové operační systémy a příprava na vlastní procesory

Apple vychrlil novinky: Nové operační systémy a příprava na vlastní procesory

** Apple dnes představuje novinky ** Tradiční keynote v rámci konference WWDC probíhá jen online ** Nové operační systémy, ale i něco navíc

David Polesný | 109


Aktuální číslo časopisu Computer

Megatest mobilů do 8 000 Kč

Test bezdrátových headsetů

Linux i pro začátečníky

Jak surfovat anonymně