¿Alguna vez ha deseado una mejor manera de enfriar su CPU súper sincronizada? Un equipo de investigadores de Microsoft y la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia lo hizo y tomó el asunto en sus propias manos aplicando un disipador de calor microfluídico en la muy querida CPU Core i7-8700K de Intel (6 núcleos, 12 hilos Coffee Lake) . ¡Luego lo overclockearon por si acaso! ¿El resultado? Pudieron enfriar hasta 215 W de potencia de una CPU TDP estándar de 95 W usando solo agua a temperatura ambiente, lo que redujo las temperaturas de funcionamiento en un asombroso 44,5 % en comparación con el diseño original de enfriamiento del disipador de calor (con enfriamiento líquido).
El Core i7-8700K no ha estado en la parte superior de nuestra lista de las mejores CPU para juegos durante bastante tiempo, pero marcó la transición de Intel de requerir HEDT para más de cuatro núcleos de CPU a una plataforma principal más competitiva. Más importante aún, 215 W de consumo de energía en el área pequeña de matriz de 149 mm ^ 2 representa una gran densidad térmica. En comparación, el Core i9-12900K tiene un tamaño de matriz de 215 mm^2, con un TDP de 125 W y una clasificación PL1/PL2 de 241 W. Ir tras el chip más pequeño mientras empuja una potencia similar representa un escenario de enfriamiento más exigente.
El enfriamiento por microfluidos toma su nombre de los microcanales que se integran o, en este caso, se agregan al diseño de un chip. El agua pasa a través de estos canales, que están aislados contra los transistores del chip (generalmente en la parte posterior del circuito activo), y los enfría de una manera mucho más efectiva que el enfoque tradicional del disipador de calor. El calor fluye hacia arriba desde los transistores a través de un material de interfaz térmica (TIM, que a veces puede tener una base metálica) y a través del disipador térmico de la CPU. Solo entonces se elimina el calor de la CPU calentando la placa de contacto en el enfriador de aire o líquido de su elección.
El diseño de refrigeración por microfluidos de los investigadores tiene fama de haber sido adaptado a una CPU estándar. Para hacerlo, quitaron el disipador de calor y el TIM de la CPU, los trasplantaron a una oblea portadora de silicio especialmente diseñada y luego grabaron microaletas directamente en la capa superior de silicio, la última frontera entre el mundo y los transistores activos debajo. Luego insertaron el chip y la oblea portadora en la placa base, y agregaron otra capa de silicio en la parte superior de la CPU con microaletas, grabada con una entrada y un puerto de salida para el agua misma. Finalmente, imprimieron en 3D los colectores de suministro de refrigeración por agua en la parte superior de esta última capa.
Luego, los investigadores tuvieron que probar su CPU, pero no solo en sus frecuencias de stock. Eso sería una carga demasiado baja para la impresionante capacidad de enfriamiento de su implementación microfluídica. El resto de su configuración de prueba parece bastante típica, haciendo uso de HWInfo para el análisis de temperatura y carga, mientras ejecuta la CPU en estado de stock y overclockeado bajo las populares cargas de trabajo Cinebench R20 y Prime95.
Dentro de esas cargas de trabajo, los investigadores lograron frecuencias operativas estables de hasta 5,2 GHz para Cinebench R20 y 4,5 GHz para Prime95, un aumento del 40 % y 21 % respectivamente en comparación con el reloj base nominal de 3,7 GHz del 8700K. Sin embargo, el 8700K normalmente funcionaría a cerca de 4,3 GHz en todos los núcleos, con overclocking a 4,8–5,0 GHz usando refrigeración líquida. Y mencionemos que es muy poco probable que los investigadores también sean overclockers profesionales a tiempo parcial.
Los investigadores también probaron la capacidad de enfriamiento de microfluidos a diferentes temperaturas de entrada, la temperatura del agua cuando ingresa a la cámara de microfluidos. Sus resultados muestran impresionantes capacidades de enfriamiento para todas las temperaturas probadas: 6 ºC, 21 ºC, 34 ºC y 42 ºC. Esto significa que este sistema se puede implementar, con mejoras sustanciales en las temperaturas de funcionamiento, incluso en lugares con temperaturas ambiente altas.
Los métodos tradicionales de enfriamiento han funcionado hasta ahora, pero llevamos un tiempo acercándonos a los límites de disipación de calor. A medida que la fabricación de chips se vuelve cada vez más densa, tanto las CPU como las GPU requieren cantidades cada vez mayores de electricidad. En un intento por liberar más y más rendimiento de troqueles cada vez más pequeños, corremos el riesgo de que los transistores pobres se cocinen hasta morir, incluso con las mejores soluciones de refrigeración listas para usar disponibles en la actualidad.
Los investigadores señalan que se espera que las envolventes de potencia de la CPU y la GPU del servidor aumenten a una tasa del 7 % anual hasta 2030, y se espera que los TDP de socket alcancen la marca de 400 W en la década de 2030. Eso podría ser conservador, ya que la Nvidia H100 ya usa hasta 700W.
Y ni siquiera hablemos del verdadero diseño de chip 3D, que apila los transistores uno encima del otro, lo que aumenta el área del troquel y los empaqueta más juntos para obtener un mayor rendimiento y beneficios de ahorro de energía. Hay una razón por la que la última CPU posterchild de AMD, la 5800X 3XD, se envió con overclocking bloqueado. Los problemas de disipación de calor fueron sin duda una de las razones por las que la compañía eligió no lanzar un equivalente 5900X de 12 núcleos con el V-Cache 3D agregado, a pesar de que la compañía había promocionado una CPU de este tipo en el pasado. Para que sean viables con núcleos adicionales, y no solo con la memoria caché comparativamente de bajo consumo, estos métodos de enfriamiento por microfluidos seguramente serán necesarios.
TSMC está investigando estos sistemas de enfriamiento en un intento por integrarlos directamente en sus capacidades de fabricación. Un día, es posible que tenga CPU listas para usar que cuentan con cámaras microfluídicas, y simplemente conectará un circuito de refrigeración líquida a las válvulas de entrada y salida de agua integradas en los propios chips.
Los resultados del investigador están, por lo tanto, en línea con los desarrollos de la industria y apuntan hacia una solución de enfriamiento más escalable y eficiente. Cuando dichos sistemas finalmente se implementen (y creemos que es una cuestión de cuándo, no de si), pueden desbloquear niveles de energía más altos y sistemas informáticos más eficientes, al tiempo que minimizan los impactos ambientales al reducir las temperaturas de funcionamiento. Eso tendrá el efecto colateral de aumentar la eficiencia energética.
Hay otro punto a favor de estos sistemas de refrigeración directa: son mucho más eficientes que las soluciones de refrigeración por aire a escala de sala (o a escala de centro de datos), que tienden a centrarse en enfriar metros cúbicos enteros de espacio en aras de un chip mucho más pequeño. huella.
Esperamos con ansias el día en que podamos recoger uno de estos chips. Para la ciencia.