پژوهشگران دانشگاه واترلو در حال توسعه سامانه خنک‌کننده‌ای هستند که می‌تواند با استفاده از قطره‌های کوچک مایع در حال جوش، نقاط داغ تراشه‌ها را سریع‌تر خنک کند و هزینه خنک‌سازی مراکز داده هوش مصنوعی را کاهش دهد. مراکز داده‌ای که زیرساخت اصلی انقلاب هوش مصنوعی محسوب می‌شوند، برای فعالیت بهینه به سامانه‌های خنک‌کننده قدرتمندی نیاز
پژوهشگران دانشگاه واترلو در حال توسعه سامانه خنک‌کننده‌ای هستند که می‌تواند با استفاده از قطره‌های کوچک مایع در حال جوش، نقاط داغ تراشه‌ها را سریع‌تر خنک کند و هزینه خنک‌سازی مراکز داده هوش مصنوعی را کاهش دهد.
مراکز داده‌ای که زیرساخت اصلی انقلاب هوش مصنوعی محسوب می‌شوند، برای فعالیت بهینه به سامانه‌های خنک‌کننده قدرتمندی نیاز دارند. با افزایش توان پردازشی و تراکم تجهیزات در این مراکز، مدیریت گرمای تولیدشده به یکی از چالش‌های مهم صنعت تبدیل شده است. اکنون پژوهشگران دانشگاه واترلو کانادا راهکاری هیبریدی توسعه داده‌اند که می‌تواند گرما را مؤثرتر و با هزینه کمتری دفع کند.
این فناوری از ترکیب دو روش خنک‌سازی بهره می‌برد: خنک‌سازی غوطه‌وری با آب دیونیزه ارزان‌قیمت و خنک‌سازی موضعی نقاط بسیار داغ تراشه‌ها با قطره‌هایی از مایع خنک‌کننده گران‌تر.
دکتر سوشانتا میترا، استاد مهندسی مکانیک و مکاترونیک دانشگاه واترلو، درباره این روش می‌گوید:
در این روش، وظایف تقسیم شده‌اند؛ آب برای مدیریت گرمای معمول و مداوم بسیار مناسب است و قطره‌ها وظیفه مقابله با افزایش ناگهانی دما را بر عهده دارند.
روش‌های متداول خنک‌سازی در برابر نقاط داغ ناکارآمد هستند
برای مقابله با حجم عظیم گرمای تولیدشده در مراکز داده، اپراتورها به‌طور فزاینده‌ای قطعات الکترونیکی مانند تراشه‌ها و پردازنده‌ها را درون مایعات خنک‌کننده مخصوص غوطه‌ور می‌کنند.
بااین‌حال، بسته به نوع پردازش در حال انجام، بخش‌های کوچکی از تراشه ممکن است ظرف چند ثانیه بسیار داغ‌تر از قسمت‌های دیگر شوند. این افزایش ناگهانی دما می‌تواند سرعت عملکرد تراشه را کاهش دهد، فرایند فرسودگی آن را تسریع کند و قابلیت اطمینان قطعه را تحت تأثیر قرار دهد. مشکل اینجاست که مایع خنک‌کننده‌ای که صرفاً از کنار این نقاط عبور می‌کند، برای واکنش سریع به چنین افزایش دمایی کافی نیست.
قطره‌های در حال جوش گرمای اضافی را دفع می‌کنند
تیم پژوهشی دانشگاه واترلو با حضور دکتر تیان‌یو ژانگ، پژوهشگر پسادکتری، و آرناو بانرجی، دانشجوی دکتری، برای حل این مشکل از تحقیقات پیشین خود درباره محصور کردن یک مایع در پوسته‌ای نازک از مایعی دیگر استفاده کردند.
آن‌ها مایعی مخصوص خنک‌سازی تجهیزات الکترونیکی انتخاب کردند که نقطه جوش بسیار پایین‌تری نسبت به آب دارد. این مایع همچنین از آب سنگین‌تر است؛ بنابراین با آن ترکیب نمی‌شود و پس از قرار گرفتن روی نقطه داغ، در همان محل باقی می‌ماند.
در آزمایش‌های آزمایشگاهی، تنها یک قطره از این مایع توانست با جوشیدن، دمای یک نقطه داغ شبیه‌سازی‌شده روی تراشه رایانه را که در مخزنی از آب قرار داشت، طی ۱۵ ثانیه تا ۱۷ درجه سانتی‌گراد کاهش دهد. این عملکرد چندین برابر سریع‌تر از روش متداول خنک‌سازی غوطه‌وری بود.
میترا، مدیر اجرایی مؤسسه فناوری نانو دانشگاه واترلو، در توضیح سازوکار این فناوری می‌گوید:
فرایند جوشیدن مقدار زیادی گرما جذب می‌کند و حباب‌های در حال صعود نیز آب اطراف را به حرکت درمی‌آورند تا گرما سریع‌تر از محیط دور شود. به این ترتیب، از قدرت خنک‌کنندگی جوشیدن استفاده می‌کنیم، اما فقط در مکان و زمانی که به آن نیاز داریم.
پژوهشگران در مرحله بعد از فناوری محصورسازی خود برای پوشاندن قطره‌های مایع خنک‌کننده با لایه‌ای نازک از روغن سیلیکون استفاده کردند. افزودن ذرات سرامیکی بسیار ریز و رسانای گرما به این پوشش نیز به آن‌ها اجازه می‌دهد سرعت جوشیدن قطره‌ها را کنترل کنند.
دو روش برای خنک‌سازی نقاط داغ
پژوهشگران در نهایت دو شیوه احتمالی برای استفاده از این فناوری در نظر گرفته‌اند؛ در روش نخست، قطره‌های مایع خنک‌کننده درون آب گردش می‌کنند و هنگام برخورد با نقاط داغ فعال می‌شوند. در روش دوم، حسگرها نقاطی را که به خنک‌سازی فوری نیاز دارند شناسایی می‌کنند و قطره‌ها مستقیماً به همان قسمت‌ها انتقال می‌یابند.
این فناوری هیبریدی علاوه بر مراکز داده، می‌تواند در حوزه‌های دیگری مانند خودروهای برقی، باتری‌ها، لیزرهای پرقدرت و سیستم‌های روشنایی LED نیز کاربرد داشته باشد.