Есть много способов оптимизации температурного режима процессоров: от пассивных медных радиаторов до жидкостного охлаждения и термоэлектрических модулей Пельтье. При желании вы даже можете погрузить матплату вместе со всей электроникой в минеральное масло. Но можете ли вы представить, что процессоры внутри ваших серверов будут покрываться воском для защиты от перегрева? Развитием подобной технологии занимается команда американских ученых.

Внутри одной из множества исследовательских лабораторий Мичиганского университета есть микрочип Intel, поверхность крышки теплораспределителя которого покрыта воском. Это практически стандартный процессор Intel Core i7 – такие же чипы работают внутри множества современных настольных и портативных ПК, а также внутри некоторых серверов вроде безвентиляторного uSVR. Внутри воскового покрытия находится металлическая сетка, которая ускоряет отвод тепла от этого крошечного кусочка кремния. Когда тактовая частота чипа растет вместе с энергопотреблением и тепловыделением, воск поглощает дополнительное тепло, поступающее от кремния, а при 54 градусах Цельсию меняется фазовое состояние этого вещества, и воск начинает таять.

Нет, это не очередной трюк для шумных вечеринок. Это взгляд в будущее. Возможно, именно так вскоре будут охлаждаться все крошечные процессоры, которые работают в наших смартфонах и планшетах, а также в микросерверах внутри гипермасштабных дата-центров. Покрытый воском чип представляет собой прототип системы охлаждения, которая проектировались для решения проблемы повышенного тепловыделения процессоров, мешающей развитию IT-индустрии.

Проблема, стоящая перед чипмейкерам, заключается в следующем: из-за непрерывного повышения плотности транзисторов процессоры начинают использовать слишком много электроэнергии в разрезе слишком маленького пространства. Если процессоры тех же мобильных телефонов задействуют все свои транзисторы одновременно, они начинают перегреваться. Исследователи говорят, что эта проблема будет только ухудшаться, поскольку транзисторы становятся все меньше.

Вычислительный спринт

В идее использования воска в качестве хладагента нет ничего нового. Он успешно использовался в нескольких исследовательских миссиях в рамках программы пилотируемых космических полетов “Аполлон”. Этот материал применялся для охлаждения батарей ракет и помог человеку высадиться на Луну. Использование данной технологии в сегменте микрочипов было неизбежным. В более простых системах вроде моторов или реактивных двигателей эта концепция уже стала стандартом.

Группа ученых из Мичиганского университета считает, что с помощью новой системы охлаждения маломощные процессоры для смартфонов, планшетов и микросерверов можно вывести на качественно новый уровень энергоэффективности при сохранении производительности. Исследователи предлагают нагружать процессоры не непрерывно, а через определенные промежутки времени – подавать на чипы высокое напряжение и повышать их производительность, а затем переводить их в режим ожидания.

Такой подход позволит выйти на прежний средний уровень производительности в разрезе длительного периода времени, но при этом можно будет избежать перегрева системы, так как резкий рост производительности и тепловыделения будет сопровождаться сменой фазового состояния воска и отводом выделяемого куском кремния тепла. Через несколько секунд воск снова застынет (быстрое застывание обусловлено небольшим объемом вещества), и чип снова можно будет загружать по максимуму. Американские ученые называют эту концепцию “вычислительным спринтом”. К слову, они работают над развитием данной технологии с далекого 2010 года.

В этом году американцы создали тестовую систему на базе маломощного процессора Intel Core i7, который способен сохранять работоспособность без применения системы охлаждения при энергопотреблении не более 10 Вт. В своих тестах исследователи периодически повышают энергопотребление чипа до 50 ватт, чтобы увеличить его производительность. Подобного достаточно, чтобы перегрев процессора наступил в течение нескольких секунд, но при этом существенно повышается его тактовая частота, а также более эффективно используются находящиеся внутри чипа транзисторы. Воск помогает ускорить охлаждение чипа. Исследователи полагают, что вскоре они смогут увеличивать энергопотребление процессора до 100 Вт в течение коротких периодов времени.

Как уже упоминалось выше, фазовое состояние воска меняется при 54 градусах по Цельсию, но чипы вроде Intel Core i7 могут сохранять работоспособность и при более высоких температурах (80-85 градусов по Цельсию), поэтому в случае распространения подобной концепции охлаждения понадобятся материалы с более высокой температурой плавления.

По словам американских ученых, подход в духе эзоповской басни “Черепаха и заяц” позволит добиться существенного повышения энергоэффективности вычислительной инфраструктуры, ведь практически полностью отпадает необходимость в электромеханических системах охлаждения. Доработка и коммерциализация этой технологии позволит создавать гипермасштабные дата-центры, которые будут комплектоваться микросерверами с пассивным восковым охлаждением и работать с применением технологии естественного охлаждения (фрикулинга). Причем ученые подумывают не только о “спринтерских” серверах, но и о суперкомпьютерах, для охлаждения которых также будет использоваться воск.

Так или иначе, эта концепция “вычислительного спринта” во много соответствует тому, как люди используют свои мобильные гаджеты и даже некоторые серверы.

Разработки Intel

“Мы считаем эту концепцию крайне перспективной, наши специалисты уже приложили массу усилий к ее разработке и не собираются останавливаться на достигнутом”, говорит инженер Intel Стив Гюнтер. ” Если вы проанализируете то, как большинство людей используют мобильные телефоны, концепция “вычислительного спринта” обретает смысл. Пользователям необходима не только повышенная отзывчивость системы, но и высокая производительность, но последняя зачастую требуется лишь в разрезе очень коротких интервалов времени. И кроме этого, немаловажным является аспект минимизации энергопотребления вычислительной системы”.

На самом деле чипы Intel научились выполнять что-то очень похожее на “вычислительный спринт” еще в 2008 году. Технология Intel Turbo Boost может увеличить производительность процессора при условии удвоения энергопотребления, когда чип находится в режиме “спринта”. Но в данном случае прирост энергопотребления намного меньше, чем в случае системы, которая проходит тестирование в Мичиганском университете.

“Нам еще многое предстоит сделать. Технология Intel Turbo Boost на самом деле не является спринтом, каким мы его представляем”, говорит Гюнтер. “Это скорее бег трусцой”.

Инженеры чипмейкера считают, что было бы крайне целесообразно заняться разработкой чипов с нуля, чтобы максимизировать эффективность такой технологии. Но специалисты Intel также подчеркивают, что эту концепцию нужно сбалансировать с учетом того, что происходит в реальном мире. Компания уже сейчас использует целый арсенал уловок для управления производительностью и энергопотреблением мобильных систем, чтобы продлить сроки их автономной работы от одного заряда батареи.

“Есть много разных проблем, которые несет с собой эта концепция”, говорит Гюнтер. “Если бы нам удалось избавиться от проблемы излишнего тепловыделения в течение короткого периода времени с помощью кусочка воска, было бы здорово. Но если скорость разрядки батареи при этом останется прежней… это не поможет. Нам нужно сбалансированное решение”.

Конечно, так и есть. Но нам, пользователям мобильных гаджетов и операторам ЦОД, также нужно что-то принципиально новое.

Означает ли все это, что вскоре мы станем свидетелями внедрения восковых теплопоглощающих материалов в мобильные телефоны, планшеты и даже серверы? Не в ближайшее время. На данный момент подобные материалы стоят слишком дорого. Коммерциализация технологии может занять от 5 до 10 лет. Этот срок может вырасти еще существеннее при условии, если другим ученым удастся создать более эффективные термоэлектрические материалы, позволяющие осуществлять рекуперацию выделяемого процессорами тепла – ведь никто не хочет видеть, как драгоценная электроэнергия используются, чтобы расплавить воск.