KAIST ngày 16/6 cho biết đã phát triển một công nghệ làm mát chất lỏng cho chip AI có thể giảm 90% điện năng làm mát. Theo viện này, giải pháp mới có thể triển khai trên dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện có, qua đó góp phần giảm điện năng tiêu thụ của các trung tâm dữ liệu AI.

Công nghệ do nhóm của giáo sư Kim Seong-jin thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí và giáo sư Lee Ik-jin thuộc Khoa AX phát triển. Nhóm đã tích hợp cấu trúc manifold phân phối chất làm mát vào bên trong chip, kết hợp với các vi kênh để tạo ra một giải pháp làm mát chất lỏng hiệu suất cao.

KAIST cho biết khi hiệu năng chip AI tiếp tục tăng, lượng nhiệt phát sinh trên chip cũng tăng theo. Trong bối cảnh đó, phương pháp làm mát bằng không khí truyền thống ngày càng bộc lộ giới hạn, nhất là với các linh kiện hiệu năng cao như GPU thế hệ mới. Vì vậy, làm mát chất lỏng trực tiếp bên trong chip đang trở thành một hướng thay thế đáng chú ý.

Giải pháp manifold microchannel (MMC) của nhóm nghiên cứu sử dụng các kênh siêu nhỏ, mảnh hơn sợi tóc, để dẫn chất làm mát và tản nhiệt. Nhờ phân phối chất làm mát qua manifold đến nhiều điểm, quãng đường dòng chảy được rút ngắn, từ đó nâng hiệu quả làm mát.

Tuy nhiên, các công nghệ trước đây thường gặp vấn đề dòng chất làm mát phân bổ không đều giữa các kênh, làm suy giảm hiệu năng tổng thể. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã kết hợp mô hình tính toán với mô phỏng độ chính xác cao nhằm thiết kế cấu trúc giúp dòng chảy được phân bố đồng đều trên toàn bộ hệ thống kênh, đồng thời giảm tối đa tổn thất năng lượng.

Nhóm sau đó chế tạo cấu trúc tối ưu này trên wafer silicon để kiểm chứng. Kết quả cho thấy hệ số hiệu suất COP, tức lượng nhiệt được loại bỏ trên mỗi đơn vị năng lượng đầu vào, đạt 106.000. Nói cách khác, 1 đơn vị năng lượng làm mát có thể loại bỏ lượng nhiệt gấp 106.000 lần. Theo KAIST, mức này cao hơn 10 lần so với kỷ lục trước đó được công bố trên tạp chí Nature năm 2020.

Một điểm đáng chú ý là công nghệ đạt hiệu năng cao chỉ với nước ở nhiệt độ phòng, không cần cơ chế sôi, xử lý bề mặt nano hay sử dụng vật liệu đắt đỏ như kim cương. KAIST cho biết giải pháp này có thể áp dụng trên dây chuyền sản xuất hiện tại mà không đòi hỏi đầu tư lớn vào hạ tầng bổ sung.

Công nghệ đã được xác nhận trên chip thử nghiệm kích thước 5 mm × 5 mm. Nhóm nghiên cứu cho biết cùng nguyên lý thiết kế này có thể được mở rộng cho các chip AI cỡ lớn như GPU và TPU với kích thước tối đa 7,5 cm × 7,5 cm.

Trong thử nghiệm áp dụng công nghệ vào cold plate dùng cho trung tâm dữ liệu, hiệu năng làm mát ghi nhận tăng ít nhất 30% so với trước. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng giải pháp này có thể tiếp tục được mở rộng sang các chip hiệu năng cao tương đương nền tảng AI thế hệ mới Vera Rubin của Nvidia.

Giáo sư Kim Seong-jin cho rằng trong kỷ nguyên AI, năng lực cạnh tranh không chỉ nằm ở hiệu năng bán dẫn mà còn ở khả năng kiểm soát nhiệt hiệu quả. Ông kỳ vọng công nghệ mới sẽ trở thành một giải pháp then chốt giúp giảm điện năng cho các trung tâm dữ liệu AI.

Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ từ chương trình dành cho nhà nghiên cứu trung cấp của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc. Dự án cũng nhận kinh phí từ Cơ quan Mua sắm Quốc phòng, trong khuôn khổ phòng thí nghiệm chuyên biệt về hệ thống làm mát siêu thông lượng nhiệt do Viện Nghiên cứu Xúc tiến Công nghệ Quốc phòng thúc đẩy. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí quốc tế Energy Conversion and Management ngày 15/6.