Hot Chips 2024 | 人工智能時(shí)代的冷卻技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在人工智能和計(jì)算需求不斷增長(zhǎng)的時(shí)代，電子設(shè)備的散熱管理變得越來(lái)越重要。本文旨在幫助了解是Frore Systems公司開發(fā)的突破性固態(tài)主動(dòng)冷卻技術(shù)AirJet。隨著我們不斷突破摩爾定律的界限并擁抱人工智能革命，傳統(tǒng)冷卻方案正在面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。
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現(xiàn)代計(jì)算中的散熱問(wèn)題
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圖1：摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)了晶體管數(shù)量、芯片面積和總熱輸出的增加。

隨著晶體管數(shù)量和芯片面積持續(xù)增加，每個(gè)晶體管的功耗雖然趨于穩(wěn)定，但總熱輸出卻顯著增加。這一趨勢(shì)可能會(huì)阻礙摩爾定律的進(jìn)展，而摩爾定律一直是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿Α?font class="jammer">* J8 L- ]8 \+ J# k1 X5 {" `$ a

人工智能革命進(jìn)一步加劇了這個(gè)問(wèn)題。據(jù)估計(jì)，到2030年，人工智能計(jì)算需求將增加300%以上，對(duì)性能的需求正將我們的設(shè)備推向散熱極限。
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  y! v, t; k5 t5 ^  ^# D1 V圖2：各種受益于設(shè)備端人工智能的應(yīng)用和行業(yè)，包括平板電腦、筆記本電腦、智能手機(jī)和工業(yè)設(shè)置。
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/ @6 n: |( }, C/ s設(shè)備端人工智能正在各種應(yīng)用和行業(yè)中變得越來(lái)越普遍。從個(gè)人設(shè)備上的智能視頻編輯和實(shí)時(shí)翻譯，到工業(yè)環(huán)境中的預(yù)測(cè)性維護(hù)和智慧城市管理，對(duì)人工智能能力的需求無(wú)處不在。然而，如果沒(méi)有足夠的冷卻解決方案，邊緣設(shè)備將難以有效運(yùn)行這些人工智能應(yīng)用。

9 o: g( r+ M1 z( ~; A4 L. Z* H現(xiàn)有冷卻解決方案的局限性
目前的散熱管理技術(shù)大致可以分為兩類：
' x; C$ B/ ^5 }3 B/ N1. 被動(dòng)冷卻設(shè)備：

例如：平板電腦、智能手機(jī)、無(wú)風(fēng)扇筆記本電腦

依靠導(dǎo)熱和輻射到環(huán)境中

設(shè)計(jì)緊湊纖薄，空間有限

散熱包絡(luò)限制在5-10W
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2. 主動(dòng)冷卻設(shè)備：
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例如：游戲筆記本電腦、工業(yè)PC

使用散熱器、熱管、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)

體積大、噪音大、重量大，可靠性存在問(wèn)題

散熱包絡(luò)范圍為15-35W
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; t: Q4 d0 d2 q$ p; W: Z: c* `這些現(xiàn)有解決方案無(wú)法滿足現(xiàn)代人工智能驅(qū)動(dòng)設(shè)備的苛刻要求。理想的散熱解決方案需要提供高散熱率，同時(shí)保持纖薄、輕便、靜音，并能在密集緊湊的設(shè)備中有效運(yùn)作。此外，還應(yīng)具備防塵、防水、可靠和可擴(kuò)展的特性。
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7 u' B. I- T) u# XAirJet：革命性冷卻解決方案

圖3：展示AirJet Mini，這是一種基于MEMS技術(shù)的固態(tài)主動(dòng)冷卻芯片，同時(shí)列出了其主要規(guī)格。

AirJet Mini是Frore Systems公司開發(fā)的一款突破性固態(tài)主動(dòng)冷卻芯片�；�于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，這種創(chuàng)新解決方案解決了傳統(tǒng)冷卻方法的局限性，同時(shí)滿足了現(xiàn)代設(shè)備的苛刻要求。

  Q) M2 B5 w$ WAirJet Mini的主要特點(diǎn)包括：
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散熱量：5.25 W

背壓：1750帕斯卡

最大功耗：1 W

重量：7克

厚度：2.5毫米
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$ }, W/ E) ?' L) I0 T% i" f圖4：說(shuō)明AirJet的工作原理，展示了固態(tài)主動(dòng)冷卻MEMS芯片及其與處理器的相互作用。
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AirJet利用獨(dú)特的射流沖擊技術(shù)實(shí)現(xiàn)高熱傳遞率。固態(tài)主動(dòng)冷卻MEMS芯片產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，直接沖擊處理器，有效散熱。出口空氣溫度約等于處理器溫度，確保最佳冷卻性能。

制造過(guò)程
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) K5 o2 N+ B4 k: J/ l7 J4 A6 K5 x' [圖5：用于在非硅晶圓上制造AirJet的定制半導(dǎo)體工藝。

+ q( s. F, m0 L9 j0 b+ M+ F+ oAirJet代表了一個(gè)全新的芯片類別，采用獨(dú)特的材料、設(shè)計(jì)和制造工藝。生產(chǎn)在Frore Systems位于臺(tái)灣的專用晶圓廠進(jìn)行，使用非硅晶圓的定制半導(dǎo)體工藝。這種創(chuàng)新方法使得冷卻解決方案能夠結(jié)合固態(tài)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的性能。

實(shí)際應(yīng)用和性能提升
# {( V1 I, Q& ZAirJet技術(shù)已成功應(yīng)用于各種設(shè)備，在不同形態(tài)因素下展現(xiàn)出顯著的性能提升：

1. 超薄無(wú)風(fēng)扇筆記本電腦：
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CPU功率提高67%

CPU性能提高23%

靜音運(yùn)行

SoC功率從12W增加到20W
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2. 高端平板電腦：
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持續(xù)SoC性能提高100%

SoC功率從5W增加到10.4W
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3. 智能手機(jī)：

性能提高40%

相同厚度，攝像頭突起延長(zhǎng)

兼容IP68防水防塵標(biāo)準(zhǔn)

SoC功率從5W增加到7W
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3 ~0 o$ Y: ?& ~4 _2 Q4. 移動(dòng)SSD配件：

性能提升3倍

運(yùn)行溫度降低20°C

全速持續(xù)雷電傳輸，無(wú)節(jié)流

系統(tǒng)功率從14W增加到24W

表面溫度從72°C降至60°C

+ V, S4 {* u' Z# U/ {5. 工業(yè)迷你PC：
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無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，配備2個(gè)AirJet Mini

系統(tǒng)功率從14W增加到24W

表面溫度從72°C降至60°C
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6. 智慧城市攝像頭：
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惡劣環(huán)境下的邊緣設(shè)備冷卻

3個(gè)AirJet Mini冷卻Nvidia Nano 8GB

系統(tǒng)功率從10W增加到22W

這些實(shí)際應(yīng)用展示了AirJet技術(shù)在各種設(shè)備和使用場(chǎng)景中的多功能性和有效性。
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  X8 g$ \. i0 W. F( R7 o' J& q未來(lái)發(fā)展：用于數(shù)據(jù)中心的LiquidJet

圖6：比較AirJet（使用空氣）和LiquidJet（使用水）在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的散熱性能。

( [  _; ^: T5 Z6 s% i9 i( A. dFrore Systems正在開發(fā)LiquidJet，這是為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而設(shè)計(jì)的固態(tài)主動(dòng)冷卻MEMS技術(shù)的改進(jìn)版。通過(guò)將冷卻介質(zhì)從空氣替換為水，LiquidJet有望提供指數(shù)級(jí)提升的散熱能力：
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AirJet（空氣）：5.25W散熱量

LiquidJet（水）：22000W散熱量

這一顯著的冷卻能力提升可能會(huì)徹底改變數(shù)據(jù)中心的散熱管理，為大規(guī)模計(jì)算環(huán)境提供更高的性能和效率。
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結(jié)論
. N1 Y" m9 t5 F! C, k( |隨著不斷推動(dòng)計(jì)算能力的邊界并擁抱人工智能革命，有效的散熱管理變得越來(lái)越重要。AirJet技術(shù)代表了冷卻解決方案的重大進(jìn)展，為各種設(shè)備提供了緊湊、高效和多功能的散熱方法。

通過(guò)在更小的形態(tài)因素中實(shí)現(xiàn)更高的性能，AirJet為下一代具備人工智能能力的邊緣設(shè)備開辟道路。從超薄筆記本電腦和智能手機(jī)到工業(yè)應(yīng)用和智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施，創(chuàng)新的冷卻技術(shù)正在幫助釋放現(xiàn)代計(jì)算的全部潛力。

參考文獻(xiàn)
9 c0 j3 O$ T9 S  |! M% b# P6 ^[1] S. Sathyamurthy, "AirJet: Solid-state active cooling helps maintain Moore's Law," in Hot Chips 2024, 2024.

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