В процессе эволюционного развития компьютерных технологий человек ставил задачу уменьшить размеры машин с искусственным интеллектом, просто говоря – уменьшить размеры компьютера до минимума. Но когда создавался небольшой корпус с плотно упакованными чипами и микросхемами, то возникала проблема – перегрев. Компания IBM считает, что данную проблему способна решить система эффективного охлаждения процессоров.
Специально разработанный сервер IBM BladeCenter HS22 – это новый шаг в миниатюризации компьютерных систем.
Ученые из компании IBM считают, что создав оптимальные условия отвода тепла от микросхем, можно сразу решить несколько проблем. Первое, что можно осуществить, это сделать широкий шаг в сторону миниатюризации вычислительных машин, а второе, снижение себестоимости обслуживания мощных компьютерных систем или центров хранения и обработки важной информации. Такое решение не должно привести к отказу от кремня, как основного материала в производстве микросхем.
Конечно, существует и альтернативный материал кремнию, например, карбид кремния, который способен увеличить температуру эксплуатации до 650°С. Но все равно без системы охлаждения компьютер пока не может обходиться. Это объясняется тем, что современный, даже дорогие, процессоры имеют теплоотдачу 50-100 Ватт на квадратный сантиметр площади. Это немного выше, чем у конфорок электрической плиты. Если чип не отключить в определенный момент, то его придется заменить на новый, так как он выйдет из строя.
Как прогнозируют специалисты IBM, в будущем будут созданы процессоры, которые будут создавать еще большую генерацию тепла на единицу площади. Без охлаждающих систем, они смогут прогреться до температуры поверхности солнца. Это пока теория, так как они быстро расплавятся.
Поэтому о карбиде кремния можно говорить, как об экзотическом материале, который применим в узкой нише компьютерных технологий (космические компьютерные системы или как комплектующий материал в газотурбинных двигателях) и его качества не дают оснований отказаться от систем охлаждения. Вопрос остается актуальным, какой способ или материал использовать для охлаждения процессоров. Первое, что пришло в голову – вода!
Если говорить о водяном охлаждении чипов, то данный способ придуман уже давно. Но если компьютер является довольно мощной машиной, то доставить жидкость к поверхности процессора – это второстепенная роль, так как главную играет равномерное распределения потока охлаждающей жидкости. А в завершение, необходимо быстро отвести нагретую воду от поверхности процессора.
Иногда смотря на современные модели куллеров, диву даешься – это же настоящие произведения искусства. Но в большинстве случаев – это только красивая оболочка, которая не решает существующие проблемы, ни наличием мощного вентилятора, ни огромным радиатором с развитой теплоотводящей поверхностью.
Если вспомнить немного физику, то вода способна отводить тепло 4 тыс. раз эффективней, чем воздух. Поэтому многие компании используют чисто водяное охлаждение. Но то, что применимо в больших компьютерных системах не годится для создания супер компьютера.
Для того, чтобы найти наилучший вариант охладительной системы, ученые из IBM решили обратиться к самой природе. Их вдохновила кровеносная система человека, где по крупным кровеносным сосудам (артериям) движется кровь насыщенная кислородом, для того чтобы питать удаленные органы. При этом крупные кровеносные магистрали делятся на мелкие сосуды, а окончательно остаются мелкие капилляры. Обратный кровяной поток обеспечивается совершено противоположной системой, от мелкого к крупному – от капилляров к артериям.
Схема охлаждения, по типу кровеносной систем, созданная компанией IBM.
В комплексной модели охлаждения от IBM большие охладительные магистрали плавно переходят в мелкие. Так вода поступает в стратегически важные места компьютерных плат. На поверхности процессора установлен «бутерброд» с лабиринтом из отверстий. Вода, приближаясь к поверхности процессора, распределяется по поверхности в микро каналах, величина которых составляет доли миллиметра.
Подобная сеть капилляров и трубок производит отбор нагретой воды. При этом вода, которая поступает на охлаждение имеет температуру 60°С, а та, что отводится – 65-68°С. Поверхность процессора при такой системе охлаждение прогревается до 80-85°С.
Один из крупнейших компьютеров, в котором используется такая система охлаждения, это суперкомпьютерная система Aguasar, которая создана весной прошлого года. Эта машина создана при непосредственном участии европейского отделения IBM и швейцарского Федерального технического университета, где и установлен данный компьютер.
Компьютер представляет собой шкаф величиной с холодильник и имеет в свое начинке 42 сервера (QS22 и HS22). Сама машина разделена на два модуля с водяным (28 процессоров – 22 QS22 и 6 HS22) и воздушным охлаждением (14 процессоров – 11 QS22 и 3 HS22). Такая компоновка нужна для исследования рабочих возможностей двух охладительных систем в равных условиях эксплуатации.
Очень интересная особенность данной модели в том, что отведенное водой тепло используется для обогрева одного из зданий. До недавнего времени для охлаждения серверных использовался поток воздуха с температурой 15 °С и забранное им тепло выбрасывалось на улицу.
Поэтому не удивительно, что крупные вычислительные центры, использующие мощные машины, тратят более 50 % на оплату электроэнергии. Уже за год водяное охлаждение «Аквазара» доказало, что она намного эффективней, а экономия составляет 40% по отношению с воздушным охлаждением.
При суммарной нагрузке 6 триллионов операций данное оборудование вырабатывает 20 киловатт тепловой энергии. Это конечно не рекордное значение, но это вполне пристойно. Первым в этой области является супер компьютер Green 500, который при обработке 770 миллионов операций вырабатывает 1 Ватт в секунду. Подобие таких компьютеров разрабатываются в разных странах, последними заявили о себе ученые из Китая, которые заявили, что им удалось создать суперкомпьютер с экономичностью 620 мегафлопов на 1 Ватт.
Так выглядит схема обогрева помещения, где тепло вырабатывает мощный суперкомпьютер. Такая машина позволяет сократить затраты крупных вычислительных центров и серверных на 85%.
И наконец, вернемся к «кубику сахара». Чтобы достичь такого эффекта IBM планирует создать новые чипы, которые будут представлять собой несколько процессоров, объединенных в одном. При этом зазор между ними будет отсутствовать. Между соседними процессорами будет проложена сеть охладительных капилляров, толщина, которых не превышает диаметр человеческого волоса.
Такая плотная структура может решить сразу несколько проблем. Это поможет сократить расстояние между чипами, что уменьшит соединительные элементы, а размер компьютера сократится.
