Home » NEWS » Microcircuits yang semakin menyusut, maka ia akan semakin panas

Microcircuits yang semakin menyusut, maka ia akan semakin panas

Microcircuits yang semakin menyusut, maka ia akan semakin panas.

Para Engineers berburu cara untuk mendinginkan komputasi)

 

Sebuah laptop dapat berfungsi  ganda sebagai penghangat lutut portabel yang efektif dan menyenangkan di kantor berhawa dingin. Perlu dicermati, mesin desktop yang lebih besar membutuhkan pendingin. Sebuah pusat data (data center) besar seperti yang digunakan oleh Google membutuhkan aliran air bervolume tinggi  dengan supercomputing cutting-edge, trik ini  untuk menjaga mereka agar tidak meleleh. Contohnya sebuah mesin kelas dunia di Pusat Supercomputing Leibniz di Munich,  beroperasi pada 3 petaflops (3 × 1015 operasi per detik), dan panas yang dihasilkan menghangatkan beberapa pusat bangunan itu. Tren saat ini menunjukkan bahwa tonggak berikutnya dalam komputasi – mesin exaflop tampil di 1.018 flop  akan mengkonsumsi daya ratusan megawatt (setara dengan output dari pembangkit nuklir kecil) dan mengubah hampir semua energi yang menjadi panas.

Panas adalah satu masalah terberat yang semakin menghambat laju perkembangan computing. Masalahnya fundamental: semakin sirkuit dikemas lebih kecil dan lebih padat maka semakin panas. “Fluks panas yang dihasilkan oleh mikroprosesor saat ini lebih longgar dibandingkan dengan di permukaan matahari,” kata Suresh Garimella, seorang spesialis di manajemen energi komputer di Purdue University West Lafayette, Indiana. “Tapi tidak seperti Matahari, perangkat harus didinginkan sampai suhu yang lebih rendah dari 100 ° C  agar berfungsi dengan baik”, lanjutnya.

Kesulitan untuk mencapai tujuan itu memunculkan ide engineers mencari cara pendinginan yang lebih mutakhir misalnya dengan memompa pendingin cair langsung ke chip, daripada sirkulasi udara di sekitarnya. Peneliti juga berusaha untuk mengurangi fluks panas dengan mencari cara untuk memadatkan sirkuit.  Sebagai contoh, tidak hanya terbatas pada lembaran dua dimensi (2D), sirkuit bisa tersusun dalam grid 3D dan jaringan yang  terinspirasi oleh arsitektur struktur otak, yang berhasil melakukan perhitungan besar tanpa peralatan pendingin khusus. Bisa jadi superkomputer masa depan tidak didukung oleh arus listrik melalui kawat logam, tetapi didorong oleh elektrokimia ion dalam aliran pendingin.

Masalah ini bukan pekerjaan yang paling glamor dalam komputasi. Tentu saja tidak bisa dibandingkan dengan banyaknya upaya terpublikasi untuk membuat perangkat elektronik yang lebih kecil dan lebih cepat. Inovasi mutakhir akan sedikit diperhitungkan oleh engineers untuk memecahkan problem panas.

Mengikuti Arus

Masalah panas adalah masalah setua umur komputer diciptakan. Komputer elektronik modern pertama, mesin 30 ton yang disebut ENIAC yang dibuat di University of Pennsylvania di Philadelphia pada akhir Perang Dunia Kedua menggunakan tabung vakum 18.000 yang harus didinginkan oleh sebuah  susunan pendingin. Transisi ke perangkat solid-state silikon pada tahun 1960 menawarkan beberapa keunggulan, namun kebutuhan untuk pendinginan semakin meningkat seiring kepadatan perangkat. Pada awal 1990-an, pergeseran dari sebelumnya teknologi transistor ‘bipolar’ menjadi complementary metal oxide semiconductor (CMOS)  menawarkan keunggulan tangguh lain dengan sangat mengurangi disipasi daya per perangkat. Tapi tingkat daya komputasi chip mengganda kira-kira setiap 18 bulan, seperti yang terkenal dijelaskan oleh Hukum Moore, dan pertumbuhan eksponensial ini telah membawa masalah baru (lihat ‘Rising temperatures’). Beberapa mikroprosesor saat ini memompa panas keluar dari lebih dari satu miliar transistor. Jika mesin desktop yang biasa membiarkan chip memancarkan panas ke ruang hampa, suhu interior akan mencapai beberapa ribu derajat Celcius.

Itulah sebabnya komputer desktop (dan beberapa laptop) memiliki kipas pendingin. Udara yang telah dihangatkan oleh chip terbawa arus konveksi, tetapi tidak hanya itu kipas mensirkulasikan udara yang cukup untuk menjaga suhu ideal pada 75 °C.

Kipas pendingin juga memerlukan energi,  bagi laptop merupakan penguras ekstra pada baterai. Kipas pendingin sendiri tidak selalu mampu mendinginkan susunan komputer di pusat data,  sebagian dari pusat data tersebut bergantung pada penukar panas yang menggunakan cairan untuk mendinginkan udara yang mengalir di atas chip panas.

Bruno Michel, manajer grup penanganan termal di IBM di Rüschlikon, Swiss, menjelaskan “Sebuah superkomputer canggih akan memerlukan beberapa kilometer kubik udara untuk pendinginan per hari.” Itu  tidak dapat diterapkan begitu saja, sehingga computer engineers harus menggunakan pendinginan dengan cairan pendingin juga.

Komputer  berpendingin air tersedia secara komersial pada awal 1964, dan beberapa generasi mainframe komputer yang dikembangkan pada 1980-an dan 1990-an  berpendingin air. Saat ini, non-aqueous dan pendingin cair non-reactive  seperti fluorocarbon kadang-kadang digunakan untuk masuk dan kontak langsung dengan chip. Fluorocarbon umumnya dingin ketika dipanasi, menyerap panas dan uap serta membawanya pergi. Sistem lain melibatkan semprotan cairan atau pendingin sirkuit.

SuperMUC, sebuah superkomputer buatan IBM bertempat di Leibniz centre, mulai beroperasi pada tahun 2012. Mesin 3-petaflop ini adalah salah satu superkomputer paling kuat di dunia. Memiliki sistem pendingin berbasis air, tapi airnya hangat bersuhu sekitar 45 ° C. Air dipompa melalui microchannels terukir di heat sink tembaga yang disesuaikan di atas central processing unit, yang berkonsentrasi pendinginan di bagian dari sistem yang memerlukan pendinginan. Penggunaan air hangat mungkin tampak aneh, tapi mengkonsumsi lebih sedikit energi daripada metode pendinginan lain, karena air panas yang muncul dari sistem memerlukan sedikit pendinginan sebelum berubah wujud. Dan penggunaan aliran air panas  untuk memanaskan gedung perkantoran  yang berdekatan  sebagai hasil penghematan energi lebih lanjut.

Michel dan rekan-rekannya di IBM percaya bahwa air yang mengalir dapat digunakan tidak hanya untuk mengekstrak panas, tetapi juga  terutama  untuk memberikan tenaga untuk sirkuit dengan membawa ion terlarut yang terlibat dalam reaksi elektrokimia pada pengumpulan energi elektroda. Akibatnya, pendingin berfungsi sebagai ‘bahan bakar’ elektrolit. Ide ini  tidak sepenuhnya baru, kata Yogendra Joshi, seorang insinyur mesin di Georgia Institute of Technology di Atlanta. Joshi menyatakan “Ini telah digunakan selama bertahun-tahun dalam pengelolaan termal elektronik pesawat, yang didinginkan oleh bahan bakar jet”.

Memberikan daya listrik dengan aliran elektrolit merupakan teknologi yang sudah berkembang. Dalam jenis sel bahan bakar yang dikenal sebagai baterai aliran redoks misalnya, dua cairan elektrolit  yang dipompa ke dalam sel elektrokimia, di mana mereka disimpan terpisah oleh membran yang dapat dialiri ion. Pertukaran elektron  antara ion dalam larutan pada proses yang dikenal sebagai reaksi reduksi-oksidasi (redoks),  tetapi proses tersebut dipaksakan untuk melalui sebuah sirkuit eksternal, menghasilkan energi yang dapat dimanfaatkan untuk menyediakan tenaga listrik.

Logika Garam

Aliran sel redoks dapat diperkecil menggunakan teknologi mikrofluida, di mana aliran fluida terbatas pada saluran mikroskopis terbentuk menjadi substrat seperti silikon. Pada skala kecil tersebut, cairan dapat mengalir melewati satu sama lain tanpa ada percampuran, sehingga  tidak perlu membran pemisah. Dengan penyederhanaan ini, perangkat yang mudah dan murah untuk dibuat, dan mereka yang kompatibel dengan silicon-chip technology.

Michel dan rekan-rekannya telah mulai mengembangkan sel mikrofluida untuk menyalakan mikroprosesor, menggunakan proses redoks didasarkan pada ion vanadium. Elektrolit dipompa sepanjang microchannels yang 100-200 mikrometer dan mirip dengan yang digunakan untuk membawa arus pendingin sekitar beberapa chip. Power dikumpulkan pada elektroda kosong sepanjang saluran, kemudian didistribusikan ke masing-masing perangkat dengan kabel logam konvensional. Para peneliti meluncurkan hasil awal mereka pada bulan Agustus, pada pertemuan International Society of Electrochemistry di Prague.

But they remain some way from actually powering circuits this way. At present, the power density of microfluidic redox-flow cells is less than 1 watt per square centimetre at 1 volt — two or three orders of magnitude too low to drive today’s microprocessors. However, Michel believes that future processors will have significantly lower power requirements. And, he says, delivering power with microfluidic electrochemical cells should at least halve the power losses that occur with conventional metal wiring, which squanders around 50% of the electrical energy it carries as resistive heating. Tetapi tinggal beberapa cara dari powering sirkuit dengan cara ini yang sebenarnya. Saat ini, kepadatan kekuatan mikrofluida aliran redoks sel kurang dari 1 watt per sentimeter persegi pada 1 volt, dua atau tiga lipat terlalu rendah untuk mendorong mikroprosesor yang ada saat ini. Michel percaya bahwa prosesor masa depan akan memiliki kebutuhan daya lebih rendah secara signifikan dan memberikan daya dengan sel elektrokimia mikrofluida setidaknya harus membagi kehilangan daya listrik yang terjadi dengan kabel logam konvensional, yang mengahabiskan sekitar 50% dari energi listrik terbawa sebagai resistif pemanasan.

Terus Berkembang

Electrochemical powering bisa membantu mengurangi pembuangan panas prosesor, tapi ada cara untuk membuat perbedaan yang jauh lebih besar. Sebagian dari panas dari chip dihasilkan bukan oleh switching transistor, melainkan oleh perlawanan dalam kawat yang membawa sinyal antara mereka. Masalahnya bukan logika, namun kerja keras. Selama 1990-an, ketika transistor sekitar 250 nanometer, ‘logika’ dan ‘kerja keras’ menyumbang jumlah disipasi yang kira-kira sama. Namun saat ini, kata Michel, “kehilangan energi kabel sekarang lebih dari sepuluh kali lebih besar dari kehilangan   energi transistor-switching”. Michel menegaskan, “karena semua komponen harus tetap aktif sambil menunggu informasi tiba, kehilangan energi akibat terinduksi saat perpindahan sebanyak 99% dari total”.

 

ZHOU/GOOGLE/ZUMAPRESS/EYEVINE

Inilah sebab “industri bergerak menjauh dari arsitektur chip tradisional, di mana kerugian komunikasi secara drastis menghambat kinerja dan efisiensi”, kata Garimella. Solusinya tampak jelas: mengurangi jarak di mana proses penyampaian informasi arus listrik harus  berjalan di antara operasi logika. Transistor sudah dikemas ke chip 2D sepadat mungkin. Sebaliknya, jika mereka ditumpuk dalam array 3D, energi yang hilang dalam transportasi data yang dapat dipotong drastis. Transportasi juga akan lebih cepat. “Jika Anda mengurangi dimensi linear dengan faktor sepuluh, Anda menyimpan bahwa banyak energi yang berkaitan dengan kabel, dan informasi Anda tiba hampir sepuluh kali lebih cepat,” kata Michel. Dia meramalkan superkomputer 3D sekecil gumpalan gula.

Seperti apa 3D packaging itu?  “Kami harus mencari contoh-contoh dengan arsitektur komunikasi yang lebih baik,” kata Michel. “Otak manusia adalah sebuah contoh.” Tugas otak: rata-rata, jaringan saraf mengkonsumsi kira-kira sepuluh kali lebih banyak daya per satuan volume dari jaringan manusia lainnya – nafsu makan energi tak tertandingi bahkan dalam quadriceps pelari Olimpiade. Otak hanya menyumbang 2% dari volume tubuh, tetapi 20% dari kebutuhan energi total.

Namun otak secara  fantastis lebih efisien dibandingkan dengan komputer elektronik. Otak dapat melakukan lima atau enam perintah besarnya lebih perhitungan untuk setiap joule energi yang dikonsumsi. Michel yakin bahwa efisiensi otak sebagian karena arsitekturnya: itu adalah jaringan, interkoneksi hierarkis 3D, bukan pengaturan grid seperti sirkuit.

Struktur Cerdas

Hal ini membantu otak untuk membuat jauh lebih banyak ruang efisien. Dalam komputer, sebanyak 96% dari volume mesin yang digunakan untuk mengangkut panas, 1% digunakan untuk komunikasi (mengangkut informasi) dan hanya satu-sepersejuta dari satu persen digunakan untuk transistor dan perangkat logika lainnya. Sebaliknya, otak hanya menggunakan 10% dari volume untuk pasokan energi dan transportasi termal, 70% untuk komunikasi dan 20% untuk perhitungan. Selain itu, memori otak dan modul komputasi diposisikan berdekatan, sehingga data yang tersimpan lama dapat dimunculkan kembali dalam sekejap. Dalam komputer, sebaliknya, dua elemen ini biasanya terpisah. “Komputer akan terus menjadi payah dalam fast recall kecuali arsitektur menjadi lebih memori-sentris”, kata Michel. 3D packaging akan membawa masing-masing elemen ke dalam jarak lebih dekat.

Perkataan Michel menunjukkan, jika komputer yang akan dikemas tiga-dimensi, akan berguna untuk mencoba meniru arsitektur hierarkis otak. Seperti hirarki sudah tersirat dalam beberapa desain 3D yang diusulkan: tumpukan chip mikroprosesor individu (di mana transistor itu sendiri dapat ditransfer dalam jaringan percabangan) ditumpuk ke menara dan saling berhubungan pada papan sirkuit, dan pada gilirannya, ditumpuk bersama-sama  yang memungkinkan komunikasi vertikal antara mereka. Hasilnya adalah semacam struktur  ‘orderly fractal’, suatu bagian subdivisi dari ruang yang tampak sama di setiap skala.

Michel memperkirakan bahwa kemasan 3D pada prinsipnya bisa  mengurangi volume komputer dengan faktor 1.000, dan konsumsi daya dengan faktor 100, dibandingkan dengan arsitektur 2D saat ini. Tapi pengenalan peniruan otak seperti, struktur kemasan ‘bionik’, katanya, bisa memotong kebutuhan listrik oleh faktor lain dari 30 atau lebih, dan volume oleh faktor lain dari 1.000. Output panas juga akan turun: 1-petaflop komputer, yang sekarang cukup besar untuk menempati gudang kecil, bisa menyusut menjadi volume 10 liter

Jika insinyur komputer bercita-cita untuk menciptakan komputasi mengagumkan zetaflop (1021 jepit) seperti struktur otak dengan arsitektur saat ini akan diperkirakan alat tersebut akan lebih besar daripada Gunung Everest dan mengkonsumsi daya lebih dari total permintaan global saat ini. Hanya dengan metode seperti bionic packaging komputasi zetaflop tampaknya jauh layak. Michel dan rekan-rekannya percaya bahwa inovasi tersebut harus memungkinkan komputer untuk mencapai efisiensi, jika tidak memandang kemampuan dari otak manusia yaitu sekitar 2060. Itu adalah sesuatu untuk dipikirkan.

Nature 492,174–176(13 December 2012)doi:10.1038/492174a

http://www.nature.com/news/computer-engineering-feeling-the-heat-1.11993

References

  1. Garimella, S. V. et al. IEEE Trans. Components Packaging Technol. 31, 801–815 (2008).

Show context

  1. Chu, R. C., Simons, R. E., Ellsworth, M. J., Schmidt, R. R. & Cozzolino, V. IEEE Trans. Device Mater. Reliability 4, 568–585 (2004).

Show context

  1. Ellsworth, M. J. et al. ITHERM 266–274 (2008).

Show context

  1. Shaegh, S. A. M., Nguyen, N.-T. & Chan, S. H. Int. J. Hydrogen Energ. 36,  5675–5694(2011).

Show context

  1. Ruch, P. W., Rapp, T., Schmidt, T. J. & Michel, B. Studies of power density in microfluidic redox flow cells. Abstract presented at the 63rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry (2012).

Show context

  1. Ruch, P., Brunschwiler, T., Escher, W., Paredes, S. & Michel, B. IBM J. Res. & Dev. 55,593–605 (2011).

Show context

 

Comments

comments

BERITA TERBARU