Uma série de coolers de processador impressos em 3D foi uma das apresentações mais interessantes da ITF World, uma conferência organizada pela gigante de pesquisa de chips imec em Antuérpia, Bélgica. Esses protótipos de waterblocks aumentam a capacidade de resfriar processadores densos, como CPUs e GPUs, em até 3,5 vezes mais do que os tipos de solução que vemos nos melhores coolers de CPU atualmente, permitindo maior densidade de energia e desbloqueando desempenho inexplorado em chips modernos. Os resultados desta pesquisa podem levar a novos watercoolers radicais para todos os tipos de chips.
Resfriamento sem matriz que força o líquido diretamente sobre a matriz do processador está emergindo como um dos passos mais óbvios para lidar com o excesso de calor gerado por chips mais novos, e o imec está liderando o caminho com novas técnicas para desbloquear o desempenho total dos nós de processo mais densos. Isso está se tornando mais importante a cada nova geração de chips à medida que o consumo de energia dispara devido à diminuição da escala de redução de energia com nós menores. Além disso, transistores menores aumentam a densidade de energia, complicando os esforços de resfriamento e, por fim, restringindo o desempenho do chip.
O objetivo final dos projetistas de chips é fazer mais trabalho em um espaço menor. Ainda assim, os chips de hoje já têm restrição de energia e áreas de ‘silício escuro’ são desligadas enquanto o chip está operando para permanecer dentro de certos limites de temperatura e TDP. Isso significa que a maioria dos chips usa apenas parte de seu potencial durante a operação normal. Além disso, o problema está apenas se intensificando a cada geração de chips – CPUs modernas como o Epyc Genoa da AMD já chegam a 400W, e os roteiros apontam para Chips de servidor de 600 W no futuro.
Em contraste com as abordagens padrão de resfriamento a água que usam um bloco de água independente que possui uma placa fria acoplada a um dissipador de calor de chip para resfriar o processador, os protótipos de resfriadores impressos em 3D retratados no álbum abaixo forçam o líquido diretamente sobre a matriz do processador. melhorando os recursos de resfriamento bombeando refrigerante diretamente para a superfície do processador.
Os waterblocks impressos em 3D permitem a prototipagem rápida, e o imec usa diferentes tipos de polímeros padrão usados na impressão 3D para garantir que os waterblocks possam lidar com as cargas de temperatura. Não está claro se alguém poderia imprimir esses designs em uma das melhores impressoras 3D.
Os waterblocks impressos em 3D podem ser personalizados de várias maneiras diferentes, com matrizes de bicos personalizados (você pode vê-los nas imagens) lançando líquido diretamente na superfície do chip em áreas específicas, como diretamente sobre núcleos individuais ou áreas de alta geração de calor do chip usado para operações vetoriais, para melhorar os recursos de resfriamento.
Os waterblocks também são personalizados para ocupar o mínimo de espaço possível e atualmente usam um O-Ring para evitar a infiltração de líquido ao redor do waterblock. Naturalmente, o imec está experimentando vários tipos diferentes de mecanismos de vedação e diferentes tipos de materiais de impressão 3D para os blocos.
Quase qualquer líquido dielétrico pode ser usado com esses resfriadores, como água tratada ou refrigerantes. Naturalmente, mesmo que o líquido não seja condutor, o resfriamento líquido de matriz nua requer a vedação das áreas ao redor do chip, como capacitores e outros circuitos eletrônicos no PCB. No entanto, para manter o refrigerante o mais próximo possível do cavaco, o topo da matriz não possui nenhum tipo de selante. Os pesquisadores bombearam o líquido diretamente sobre a superfície lisa da matriz, mas outras abordagens, como adicionar estrias ao topo da matriz, podem proporcionar ainda mais desempenho de resfriamento.
Os selantes apresentam desafios de confiabilidade de longo prazo devido ao rápido ciclo térmico e interações com os vários refrigerantes usados no sistema. Ainda assim, a imec está trabalhando metodicamente para encontrar a combinação certa de todos os materiais para garantir confiabilidade a longo prazo.
O álbum acima contém vários slides descrevendo os experimentos do pesquisador. Em geral, resfriar mais de 100 W de potência por centímetro quadrado provou ser incrivelmente problemático, levando a uma regra geral de que espalhar 1 W de potência por 1 MM quadrado de silício permite um resfriamento eficaz. A densidade de energia está disparando com nós de processo menores, portanto, aumentar a capacidade de remover o calor de concentrações de energia mais altas é fundamental para continuar desbloqueando desempenho extra.
Lembre-se, mais consumo de energia geralmente equivale a mais desempenho do chip (há ressalvas – a eficiência pode ser prejudicada). Os pesquisadores do imec nos dizem que eles podem resfriar até 1.000 W em um único centímetro quadrado (100 W por mm^2) ou até 500 W em um único mm^2, mas esse tipo de desempenho de resfriamento não é representativo do típico desempenho porque não se adapta bem a um chip inteiro.
Em aplicações comuns, esses resfriadores de chip podem permitir até 350 W de capacidade de resfriamento por centímetro quadrado, ou cerca de 3,5 W por mm^2 — um aumento de 3,5 vezes em relação ao que é comumente visto hoje. Conforme mostrado no álbum acima, isso permitirá que os projetistas de chips continuem a ultrapassar os limites de desempenho com um método comparativamente mais conservador do que as soluções de resfriamento monofásico e bifásico que seriam necessárias para ultrapassar 4 W por mm^2.
Naturalmente, esta é uma visão simplista de como essas soluções de resfriamento funcionariam, com muitas outras variáveis, como deltas de temperatura e outros fatores, sendo necessários para medir adequadamente os vários méritos da abordagem. No entanto, uma coisa é certa – essa abordagem marca uma das maneiras mais fáceis de aumentar os recursos de resfriamento com um aumento razoável no custo. Outras técnicas, como a pesquisa TSMC que propõe o bombeamento de refrigerante através de microcanais dentro do próprio chip, são obviamente muito mais exóticas e, portanto, caras e distantes no horizonte.
Os esforços do Imec ainda estão na fase de pesquisa enquanto os pesquisadores trabalham na identificação dos materiais, líquidos e designs corretos que permitirão a criação de soluções de resfriamento produzidas em massa, com os primeiros produtos dessa pesquisa provavelmente levando cinco anos antes de serem filtrados para mercado.