Ήταν το 1965 όταν ο Γκόρντον Μουρ, ο άνθρωπος που συνυπέγραψε την ίδρυση της Intel, προέβλεψε ότι οι υπολογιστές θα γίνονταν κάθε δύο χρόνια και πιο δυνατοί και πιο φτηνοί.
Ο Μουρ παρατήρησε πως ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιαζόταν κάθε δύο χρόνια και από το γεγονός αυτό πέρασε στον περίφημο Νόμο του Μουρ, μια εμπειρική διατύπωση που έμελλε να σφραγίσει τον κόσμο της πληροφορικής.
Δέκα χρόνια αργότερα (1975), ο νόμος του είχε ήδη αποδειχθεί αληθής. Κι έτσι έμοιαζε πια σαν απαράβατη αλήθεια, ένα ευαγγέλιο των υπολογιστών και των οικονομικών τους: η επεξεργαστική δύναμη των μικροτσίπ (άρα και των ηλεκτρονικών υπολογιστών) διπλασιαζόταν πράγματι και το κόστος τους συρρικνωνόταν ανά διετία.
Η πληροφορική είχε βρει τη «Βίβλο» της, με την οποία θα πορευόταν παραμάσχαλα για δεκαετίες και δεκαετίες…
Ένα πιεστικό πρόβλημα με πολλά πλοκάμια
Όσο η ισχύς αυξανόταν όμως εκθετικά, το ίδιο έκανε και η θερμότητα που παραγόταν από το στοίβαγμα εκατομμυρίων τρανζίστορ σε ολοένα και πιο μικροσκοπικά τσιπάκια, που έφτασαν να έχουν το μέγεθος ανθρώπινου νυχιού.
Είναι ο ηλεκτρισμός που συναντά αντίσταση μέσα στα ολοκληρωμένα αυτά κυκλώματα που γεννά τη θερμοκρασία. Περισσότεροι επεξεργαστές σημαίνει μεγαλύτερες θερμοκρασίες, ήταν η ίδια η πρόοδος της τεχνολογίας που έφτασε να απειλεί τη συνεχιζόμενη εξέλιξη της βιομηχανίας των υπολογιστών.
Όσο πιο πολύ θερμαίνονται εξάλλου, τόσο πιο πολύ χάνουν σε απόδοση τα τσιπ, ώσπου να φτάσουν να παρουσιάσουν δυσλειτουργίες.
Μέσα σε όλα, υπάρχει και ένα βαρύ περιβαλλοντικό κόστος. Οι επεξεργαστές, και η ψύξη που χρειάζονται, κατασπαράσσουν ενέργεια με αδιανόητο τρόπο.
Αρκεί να αναφερθεί ότι, όπως υπολόγισε πρόσφατη μελέτη, η ενέργεια που καταναλώνουν τα data centers αντιπροσωπεύει το 1% σχεδόν της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρισμού!
Στις ΗΠΑ και μόνο, οι σέρβερ ρουφούν ενέργεια και νερό (για την ψύξη) που αντιστοιχεί σε όσα καταναλώνει η Φιλαδέλφεια σε έναν χρόνο.
Το πρόβλημα της ψύξης των υπολογιστών έγινε πια αδήριτη ανάγκη. Το απόφευγε για καιρό ο κόσμος της τεχνολογίας και το βρήκε μπροστά του πιο τρομακτικό από ποτέ.
Δεν είναι βέβαια ότι δεν έχουν σημειωθεί προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση, κάθε άλλο. Όλες όμως οι λύσεις που έχουν κατά καιρούς προταθεί για την ψύξη των επεξεργαστών είναι μηχανικές. Εναλλάκτες θερμότητας δηλαδή που συνδυάζονται με ψύκτρες και ανεμιστηράκια ώστε να απορροφούν τη θερμότητα και να τη διοχετεύουν εκτός συστήματος.
Κάποια data centers βασίζονται πλέον σε υγρά που ρέουν μεταξύ των σέρβερ ώστε να απομακρύνουν τη θερμότητα.
Μόνο που αυτά τα συστήματα σχεδιάζονται και αναπτύσσονται ξεχωριστά από τους επεξεργαστές και η λειτουργικότητά τους είναι πάντα ζητούμενο και όχι δεδομένο…
Η πιθανή λύση
Μια ομάδα ελβετών ερευνητών δημοσίευσε πρόσφατα μια μελέτη στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό «Nature» και ισχυρίζεται πως βρήκε τη λύση στο πρόβλημα της ψύξης των επεξεργαστών.
«Τα data centers καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ηλεκτρισμού και νερού και όσο συνεχίζουμε να βασιζόμαστε σε αυτά τα δεδομένα, αυτή η κατανάλωση θα αυξάνεται κι άλλο», λέει χαρακτηριστικά ο επικεφαλής της ομάδας και καθηγητής στο Ινστιτούτο Ηλεκτρολογίας του Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Elison Matioli.
«Η εύρεση τρόπων για να διαχειριστείς αυτή την άσωστη θερμότητα ή άσωστη ενέργεια είναι ένα εξαιρετικά σημαντικό ζήτημα». Τι έκαναν; Έφτιαξαν μικροσκοπικά κανάλια γεμάτα με υγρό μέσα στα μικροτσίπ ώστε και η θερμότητα να απάγεται από την ίδια την πηγή της και η κατανάλωση ενέργειας να ελαχιστοποιείται.
Ο Matioli και η ομάδα του σχεδίασαν και κατασκεύασαν τα τσιπ και τα συστήματα ψύξης μαζί. Στον νέο και ενιαίο αυτό σχεδιασμό, τα ψυκτικά στοιχεία ενσωματώνονται στο τσιπ, δημιουργώντας μικροκανάλια για υγρά μέσα στους ημιαγωγούς που απομακρύνουν τη θερμότητα, εξοικονομούν ενέργεια και μετριάζουν εκθετικά τα περιβαλλοντικά προβλήματα που επιφέρουν τα data centers.
Η δουλειά τους έχει ανεξάντλητες πρακτικές εφαρμογές στο ηλεκτρισμένο παρόν μας, εξαλείφοντας το πρόβλημα της υπερθέρμανσης και μειώνοντας ταυτοχρόνως το μέγεθος των μετατροπέων ισχύος στα αυτοκίνητα, τα ηλιακά πάνελ και μια μακρά σειρά από ηλεκτρονικά.
«Η προτεινόμενη τεχνολογία θα επιτρέψει την περαιτέρω συρρίκνωση του μεγέθους στα ηλεκτρονικά, επεκτείνοντας πιθανότατα τον Νόμο του Μουρ και μειώνοντας σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας στην ψύξη των ηλεκτρονικών», γράφουν χαρακτηριστικά στη μελέτη τους.
Σύντομη ιστορία της ψύξης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Όπως είπαμε, η θερμότητα που παράγουν τα κυκλώματα των ηλεκτρονικών συσκευών είναι ένα πρόβλημα γνωστό ήδη από τη δεκαετία του 1980. Οι πρώτοι μικροεπεξεργαστές, σαν την παρθενική κεντρική επεξεργαστική μονάδα που παρουσίασε με καμάρι η Intel το 1971, δεν δημιουργούσαν τέτοιες θερμοκρασίες που να χρειάζονται ψύξη.
Ως τη δεκαετία του 1990, οι ψύκτρες και οι ανεμιστήρες ήταν ενσωματωμένα σε κάθε κεντρικό επεξεργαστή ενός υπολογιστή, καθώς οι επεξεργαστές είχαν γίνει πολύ δυνατοί και απέδιδαν πια μεγάλες ποσότητες θερμότητας.
Οι μεταλλικές (αλουμινίου συνήθως) ψύκτρες έχουν όμως και τα τρωτά τους: απάγουν μεν τη θερμότητα από τον επεξεργαστή, τη διασκορπίζουν ωστόσο μέσα στη συσκευή, ανεβάζοντας έτσι τη συνολική θερμοκρασία λειτουργίας της συσκευής. Κι έτσι δημιουργούν ουσιαστικά έναν φαύλο κύκλο, που γεννά περισσότερη υπερθέρμανση.
«Τα ηλεκτρονικά συνήθως δεν δουλεύουν πραγματικά καλά όταν θερμαίνονται», παρατηρεί ο Matioli, «οπότε έχεις μειωμένη αποδοτικότητα όλης της ηλεκτρονικής συσκευής, γεγονός που καταλήγει να θερμαίνει ακόμα περισσότερο τον επεξεργαστή».
Η μικρορευστομηχανική, η επιστήμη που μελετά και αναπτύσσει εφαρμογές από τις ιδιότητες των ρευστών στη μικροκλίμακα, ήταν ένα ανθρώπινο στοίχημα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990.
Οι ερευνητές πειραματίζονταν με τις αρχές της και ο κλάδος τονώθηκε σημαντικά όταν ενδιαφέρθηκε για τη μικρορευστομηχανική η υπηρεσία DARPA του αμερικανικού Υπουργείου Αμύνης στα τέλη των 90s. Έχοντας φυσικά στο μυαλό της το θέμα με την ψύξη των ηλεκτρονικών.
Το πρόβλημα έφτασε στο απροχώρητο για την τεχνολογία το 2008, όταν ο αριθμός των τρανζίστορ μέσα σε ένα μικροτσίπ ανέβηκε από νούμερα εκατομμυρίων σε δισεκατομμύρια. Η θερμότητα έγινε πλέον απαγορευτική.
Η DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) δαπάνησε επισήμως πάνω από 100 εκατ. δολάρια σε καινοτόμες τεχνολογίες ψύξης. Από δικά της κονδύλια γεννήθηκαν το 2012 ερευνητικά προγράμματα (ICECool) τόσο στην IBM όσο και το Πολυτεχνείο της Τζόρτζια.
Επιστήμονες και κατασκευαστές πειραματίζονταν πια με την ενσωμάτωση υγρών (ρευστών) στα συστήματα ψύξης των επεξεργαστών και η θεωρητική εργασία κινούνταν σε τρεις κατευθύνσεις. Οι δύο πρώτες δεν έφερναν σε απευθείας επαφή το ψυκτικό υγρό με το τσιπάκι. Επιστράτευαν απλώς ένα πλακίδιο με κανάλια για το ρευστό ώστε να κρυώνει το κύκλωμα.
Η τρίτη πρακτική εφαρμογή ήταν αυτή με την οποία πειραματίστηκε ο Matioli και η ομάδα του, αυτή που έφερνε το ψυκτικό υγρό κατευθείαν μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα.
Πώς απαντά στο εδώ και τώρα
Η έρευνα των Ελβετών πατά πάνω σε παλιότερη (2015) συνεισφορά του καθηγητή ηλεκτρολογίας στο Πολυτεχνείο της Τζόρτζια, Yogendra Joshi. Ο ακαδημαϊκός και η δική του ομάδα βρήκαν πως αν χαράξεις κανάλια για ρευστά κατευθείαν πάνω στο ολοκληρωμένο κύκλωμα, τότε παίρνεις ακόμα και κατά 60% χαμηλότερη θερμοκρασία από τη συνήθη ψύξη με αέρα.
«Η τεχνολογία της ψύξης θα γίνει απολύτως κρίσιμη», έλεγε ο Joshi το 2015, «η χρήση ρευστών πέρα από τον αέρα είναι σημείο-κλειδί για την ικανότητά μας να απεγκλωβιστούμε από τους περιορισμούς της θερμότητας που θέτουν οι υπολογιστές. Πρέπει να έχεις το ψυκτικό εκεί που παράγεται η θερμότητα. Όσο πιο μακριά είναι, τόσο λιγότερο αποδοτικό γίνεται».
Αυτή την αρχή επέκτεινε και βελτίωσε το σύστημα του Matioli. Για να ελέγξει τη νέα ερευνητική συνθήκη, η ομάδα σχεδίασε τσιπάκια που ψύχονται με νερό, διαθέτοντας ενσωματωμένα μικροκανάλια γεμάτα με υγρό πάνω στο υπόστρωμα του ημιαγωγού.
Τα τσιπ δεν έχουν εδώ σιλικόνη, κατασκευάζονται από νιτρίδιο του γαλλίου, ένα στοιχείο που χρησιμοποιείται ευρύτατα ως ημιαγωγός σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, καθώς επιτρέπει τη δουλειά σε ακόμη μικρότερες κλίμακες μεγέθους.
Το αποτέλεσμα όλων αυτών είναι, σύμφωνα με την εργασία, ψυκτική ισχύς ακόμα και 50 φορές μεγαλύτερη από τις τρέχουσες λύσεις της αγοράς!
Το τέχνασμα του Matioli ήταν να βρει έναν άλλο τρόπο ώστε τα ψυκτικά κανάλια των ρευστών, που κυμαίνονται από τα 20 μικρόμετρα (το μέσο πλάτος ενός ανθρώπινου δερματικού κυττάρου) ως τα 100 μικρόμετρα, να βρεθούν όσο το δυνατόν πιο κοντά στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, εκεί που παράγεται δηλαδή η θερμότητα.
Αυτά τα μικροκανάλια μέσα στο κύκλωμα συνδυάζονται με μεγαλύτερα κανάλια στο πίσω μέρος του τσιπ, ώστε να περιορίζεται η πίεση που χρειάζεται προκειμένου να ρέει το υγρό.
«Η αναλογία είναι σαν το σώμα μας», παρατηρεί ο Matioli, «έχουμε τις μεγαλύτερες αρτηρίες και τα μικρότερα τριχοειδή αγγεία και αυτός είναι ο τρόπος που το σώμα μας περιορίζει την πίεση που χρειάζεται για να διανείμει το αίμα».
Η ιδέα του έχει και τη δυναμική και την προοπτική να γίνει αναπόσπαστο μέρος των ηλεκτρονικών που συναντούμε στα πάντα, από μικρές συσκευές ως και ηλεκτρικά αυτοκίνητα.
Ο μετατροπέας που δημιούργησε η ομάδα του απέδωσε πάνω από 3 φορές περισσότερη ενέργεια από έναν τυπικό φορτιστή laptop, έχοντας το μέγεθος ενός USB stick! Πώς να μην το συγκρίνει με την ίδια την εξέλιξη των υπολογιστών, από την εποχή που ήταν δωμάτια ολόκληρα μέχρι σήμερα, που χωρούν στην τσέπη μας;
Όλα αυτά δεν είναι στη θεωρητική σφαίρα. Ούτε είναι ευσεβείς πόθοι της επιστήμης. Ο Matioli έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον των κατασκευαστών και κάποιοι έχουν ήδη επικοινωνήσει μαζί του. Αν και δεν έχει δώσει για την ώρα περισσότερες λεπτομέρειες.
Άλλοι επιστήμονες που έχουν μιλήσει για την καινοτόμα δουλειά του μάς λένε πως χρειάζεται περισσότερη δουλειά ώστε να εφαρμοστεί σε πραγματικά προϊόντα της αγοράς. Όλοι πάντως μιλούν για ένα γενναίο και αποτελεσματικό πρώτο βήμα.
Ίσως είμαστε στις παρθενικές μέρες ενός πραγματικού άλματος που θα επιτρέψει την περαιτέρω και ακόμα πιο αποφασιστική ανάπτυξη της τεχνολογίας. Κάτι τέτοιο είπε και ο διαπρεπής ακαδημαϊκός ερευνητής του Stanford University, Tiwei Wei, σε σχόλιό του που συνοδεύει το άρθρο στο «Nature».
Η δουλειά τους, μας λέει, είναι «ένα μεγάλο βήμα προς την κατεύθυνση της δημιουργίας χαμηλού προϋπολογισμού, μικροσκοπικού μεγέθους και ενεργειακά αποδοτικών ψυκτικών συστημάτων για ηλεκτρονικά απαιτήσεων».
Ίσως το μέλλον να είναι εδώ…
