Hot Chips 2024 | 人工智能時代的冷卻技術

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引言
在人工智能和計算需求不斷增長的時代，電子設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
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0 s+ {. K1 C) u" H圖1：摩爾定律面臨的挑戰(zhàn)，強調了晶體管數(shù)量、芯片面積和總熱輸出的增加。
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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進步的主要動力。

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備推向散熱極限。
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8 `$ K- d0 O: m! u圖2：各種受益于設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)設置。

設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，邊緣設備將難以有效運行這些人工智能應用。
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  t6 K! x! s2 R現(xiàn)有冷卻解決方案的局限性
目前的散熱管理技術大致可以分為兩類：
1. 被動冷卻設備：

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

設計緊湊纖薄，空間有限

散熱包絡限制在5-10W
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2. 主動冷卻設備：

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

% {% o; q. K/ K/ t) P5 z這些現(xiàn)有解決方案無法滿足現(xiàn)代人工智能驅動設備的苛刻要求。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。

AirJet：革命性冷卻解決方案

1 R; b* a% t0 \  h' q1 K圖3：展示AirJet Mini，這是一種基于MEMS技術的固態(tài)主動冷卻芯片，同時列出了其主要規(guī)格。
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4 V% E% _7 P3 k! ^1 xAirJet 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，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)代設備的苛刻要求。

1 g9 v4 W4 b* q# V" ^' n$ o' |, c7 ^* tAirJet 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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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。
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$ m9 _  H5 [7 W$ GAirJet利用獨特的射流沖擊技術實現(xiàn)高熱傳遞率。固態(tài)主動冷卻MEMS芯片產生強大的氣流，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

( a* [6 W: p0 A4 M8 i圖5：用于在非硅晶圓上制造AirJet的定制半導體工藝。

: e2 e" H, w; D. x* E/ y1 x* ^0 ~AirJet代表了一個全新的芯片類別，采用獨特的材料、設計和制造工藝。生產在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合固態(tài)技術的優(yōu)勢和主動冷卻系統(tǒng)的性能。

實際應用和性能提升
# @! D5 N5 n" Q! ]; C1 [AirJet技術已成功應用于各種設備，在不同形態(tài)因素下展現(xiàn)出顯著的性能提升：

1. 超薄無風扇筆記本電腦：

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

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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- b$ [6 B8 Q. Y$ s2 K- m3. 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

& g" r, m6 B1 a4. 移動SSD配件：

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
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* X. {+ u( r, s/ S! Y' K% ^6. 智慧城市攝像頭：
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惡劣環(huán)境下的邊緣設備冷卻

3個AirJet Mini冷卻Nvidia Nano 8GB

系統(tǒng)功率從10W增加到22W

; P2 T6 x  @2 \4 l% w& X- V1 x7 Q這些實際應用展示了AirJet技術在各種設備和使用場景中的多功能性和有效性。
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未來發(fā)展：用于數(shù)據(jù)中心的LiquidJet
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9 c0 U* E3 X& M8 u- N0 l2 a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。

Frore Systems正在開發(fā)LiquidJet，這是為數(shù)據(jù)中心應用而設計的固態(tài)主動冷卻MEMS技術的改進版。通過將冷卻介質從空氣替換為水，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

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。

結論
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技術代表了冷卻解決方案的重大進展，為各種設備提供了緊湊、高效和多功能的散熱方法。
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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設施，創(chuàng)新的冷卻技術正在幫助釋放現(xiàn)代計算的全部潛力。

7 a. p, }" v; X. k參考文獻
+ `4 Y" s. m  S' b4 @[1] S. Sathyamurthy, "AirJet: Solid-state active cooling helps maintain Moore's Law," in Hot Chips 2024, 2024.

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