Hot Chips 2024 | 人工智能時代的冷卻技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
在人工智能和計算需求不斷增長的時代，電子設(shè)備的散熱管理變得越來越重要。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)代計算中的散熱問題
2 n9 u. y6 s- ]# e" q1 }- [0 A2 @
' J1 d, ?0 Z2 I8 S# o) {: x2 u& L圖1：摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)，強調(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。這一趨勢可能會阻礙摩爾定律的進展，而摩爾定律一直是推動技術(shù)進步的主要動力。
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: |( V* q- G& j人工智能革命進一步加劇了這個問題。據(jù)估計，到2030年，人工智能計算需求將增加300%以上，對性能的需求正將我們的設(shè)備推向散熱極限。
# @; N# H1 l9 o1 H7 j0 A6 T: @
: z+ h4 Y* |# W7 Z5 I. \8 H圖2：各種受益于設(shè)備端人工智能的應用和行業(yè)，包括平板電腦、筆記本電腦、智能手機和工業(yè)設(shè)置。
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設(shè)備端人工智能正在各種應用和行業(yè)中變得越來越普遍。從個人設(shè)備上的智能視頻編輯和實時翻譯，到工業(yè)環(huán)境中的預測性維護和智慧城市管理，對人工智能能力的需求無處不在。然而，如果沒有足夠的冷卻解決方案，邊緣設(shè)備將難以有效運行這些人工智能應用。
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; T* ]/ k1 P3 J2 L) S# U/ I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：
" k8 t& M" n. C2 t1 \1 I2 F# C1. 被動冷卻設(shè)備：
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例如：平板電腦、智能手機、無風扇筆記本電腦

依靠導熱和輻射到環(huán)境中

設(shè)計緊湊纖薄，空間有限

散熱包絡限制在5-10W

2. 主動冷卻設(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、風扇和鼓風機

體積大、噪音大、重量大，可靠性存在問題

散熱包絡范圍為15-35W

這些現(xiàn)有解決方案無法滿足現(xiàn)代人工智能驅(qū)動設(shè)備的苛刻要求。理想的散熱解決方案需要提供高散熱率，同時保持纖薄、輕便、靜音，并能在密集緊湊的設(shè)備中有效運作。此外，還應具備防塵、防水、可靠和可擴展的特性。

& U2 c- W$ ^3 Z4 _! c: C) KAirJet：革命性冷卻解決方案
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' D  p) [, C, {0 F" z5 b圖3：展示AirJet Mini，這是一種基于MEMS技術(shù)的固態(tài)主動冷卻芯片，同時列出了其主要規(guī)格。
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! ?1 l1 Z% H% E4 S  z2 p8 H' uAirJet Mini是Frore Systems公司開發(fā)的一款突破性固態(tài)主動冷卻芯片�；�于MEMS（微機電系統(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，同時滿足了現(xiàn)代設(shè)備的苛刻要求。
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$ d/ W# Z: `- K9 m: f7 R3 \9 jAirJet Mini的主要特點包括：
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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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# p9 b6 G- d* }7 h2 }) m" e) _2 O圖4：說明AirJet的工作原理，展示了固態(tài)主動冷卻MEMS芯片及其與處理器的相互作用。

AirJet利用獨特的射流沖擊技術(shù)實現(xiàn)高熱傳遞率。固態(tài)主動冷卻MEMS芯片產(chǎn)生強大的氣流，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。

制造過程

2 N# p( e- W0 s6 }$ s: B圖5：用于在非硅晶圓上制造AirJet的定制半導體工藝。

AirJet代表了一個全新的芯片類別，采用獨特的材料、設(shè)計和制造工藝。生產(chǎn)在Frore Systems位于臺灣的專用晶圓廠進行，使用非硅晶圓的定制半導體工藝。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)勢和主動冷卻系統(tǒng)的性能。

實際應用和性能提升
5 q5 U4 g; s- O8 t" Y, jAirJet技術(shù)已成功應用于各種設(shè)備，在不同形態(tài)因素下展現(xiàn)出顯著的性能提升：
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- J( d( E9 \  E$ X4 s1. 超薄無風扇筆記本電腦：
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CPU功率提高67%

CPU性能提高23%

靜音運行

SoC功率從12W增加到20W

1 n6 D' P" [" d2 {4 o& ^2. 高端平板電腦：

持續(xù)SoC性能提高100%

SoC功率從5W增加到10.4W
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' O( `2 ?  Y  y3. 智能手機：

性能提高40%

相同厚度，攝像頭突起延長

兼容IP68防水防塵標準

SoC功率從5W增加到7W

' o1 \" o3 q' R+ g: E2 ^4 f4. 移動SSD配件：
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性能提升3倍

運行溫度降低20°C

全速持續(xù)雷電傳輸，無節(jié)流

系統(tǒng)功率從14W增加到24W

表面溫度從72°C降至60°C

5. 工業(yè)迷你PC：

無風扇設(shè)計，配備2個AirJet Mini

系統(tǒng)功率從14W增加到24W

表面溫度從72°C降至60°C

" H6 S% k  m4 P0 v+ X4 o6. 智慧城市攝像頭：

惡劣環(huán)境下的邊緣設(shè)備冷卻

3個AirJet Mini冷卻Nvidia Nano 8GB

系統(tǒng)功率從10W增加到22W
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1 F6 m* c4 c, c) Q2 }: L這些實際應用展示了AirJet技術(shù)在各種設(shè)備和使用場景中的多功能性和有效性。
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" t/ @& V9 v2 F未來發(fā)展：用于數(shù)據(jù)中心的LiquidJet
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圖6：比較AirJet（使用空氣）和LiquidJet（使用水）在數(shù)據(jù)中心應用中的散熱性能。

/ [3 N/ ~4 I( F" qFrore Systems正在開發(fā)LiquidJet，這是為數(shù)據(jù)中心應用而設(shè)計的固態(tài)主動冷卻MEMS技術(shù)的改進版。通過將冷卻介質(zhì)從空氣替換為水，LiquidJet有望提供指數(shù)級提升的散熱能力：

AirJet（空氣）：5.25W散熱量

LiquidJet（水）：22000W散熱量

" l5 q  V8 w# R0 ^. Y這一顯著的冷卻能力提升可能會徹底改變數(shù)據(jù)中心的散熱管理，為大規(guī)模計算環(huán)境提供更高的性能和效率。

. Z- \/ u5 U# y3 A7 S) b' s# ?2 Z結(jié)論
隨著不斷推動計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越重要。AirJet技術(shù)代表了冷卻解決方案的重大進展，為各種設(shè)備提供了緊湊、高效和多功能的散熱方法。
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; n5 ~% B! u  C- f7 v& J通過在更小的形態(tài)因素中實現(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到工業(yè)應用和智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施，創(chuàng)新的冷卻技術(shù)正在幫助釋放現(xiàn)代計算的全部潛力。

參考文獻
[1] S. Sathyamurthy, "AirJet: Solid-state active cooling helps maintain Moore's Law," in Hot Chips 2024, 2024.

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- s4 Y7 m. Z( R$ c深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務。

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