Microfluidos CPU ¿Son el futuro de la informática?

Con la potencia disparada en los procesadores y los nuevos empaquetados 3D, se está experimentando con algunos sistemas de refrigeración novedosos, como los microfluidos CPU que podrían generarse gracias a canales o conductos creados durante los procesos de fabricación del procesador.

Ya IBM en el pasado estuvo experimentando con ello y ahora podría abrir nuevas puertas para los entusiastas del overclocking y para las futuras generaciones de empaquetados.

La investigación sobre el microfluido

Un grupo de investigadores de Microsoft y del Instituto de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia respondió a los problemas de refrigeración con un disipador con microfluídico para la CPU Intel Core i7-8700K (una CPU Coffee Lake de seis núcleos y 12 hilos). Además, ¡procedieron a realizar un overclocking! Consiguieron reducir la resistencia térmica hasta en un 44,5% utilizando solo agua a temperatura ambiente, lo que supone una disminución sustancial respecto al sistema de refrigeración original (CPU con TDP de 95W).

Dado que el Core i7-8700K tenía 215W de potencia en la diminuta área de la matriz de 149mm^2 es mucha densidad térmica. En comparación, el Core i9-12900K tiene un tamaño de matriz de 215 mm^2, un TDP de 125 W y una clasificación PL1/PL2 de 241 W. Debido al exigente escenario de refrigeración, fue todo un reto para los investigadores buscar una solución.

Cómo lo hicieron

La refrigeración microfluídica es una solución de refrigeración que añade microcanales a la arquitectura de un chip para ayudar a enfriarlo. El agua fluye por estos canales, situados en la parte posterior del circuito activo del chip y aislados del transistor, y los enfría. El calor viaja desde los transistores hasta el TIM (un material conductor a veces hecho de metal) y el disipador, y luego hasta la placa de contacto de un refrigerador de CPU, donde finalmente se lo lleva.

Los investigadores modificaron un diseño de refrigeración microfluídica para que funcionara con una CPU estándar eliminando el disipador térmico y el TIM, trasplantando la CPU a una oblea portadora de silicio especialmente diseñada, e incrustando microfinas en la capa superior -la última barrera entre el mundo y los transistores activos- en una oblea de silicio. A continuación, colocaron el chip y la oblea portadora en la placa base, añadiendo una capa de silicio sobre la CPU con microfinas que estaba grabada con un puerto de entrada y otro de salida para el agua. Por último, imprimieron en 3D los colectores de suministro de agua en la capa superior.

El diseño de refrigeración microfluídica de los investigadores se ha adaptado a una CPU estándar. Retiraron el disipador térmico y el TIM de la CPU y trasplantaron una oblea portadora de silicio especialmente diseñada a la CPU, que luego fue grabada con microfins en la capa superior de silicio. Utilizaron HWInfo para monitorizar la temperatura y la carga, así como para hacer funcionar la CPU a frecuencias estándar y con overclocking mientras se ejecutaban las cargas de trabajo Cinebench R20 y Prime95.

Según los investigadores, Cinebench R20 y Prime95 pueden ejecutarse a 5,2 GHz en todos los núcleos, lo que supone un aumento del 40% respecto al reloj base del 8700K, de 3,7 GHz. Por otro lado, el 8700K funcionaría normalmente a unos 4,3 GHz en todos los núcleos, con overclocking a 4,8-5,0 GHz utilizando refrigeración líquida. También hay que tener en cuenta que es probable que los investigadores no sean también overclockers profesionales a tiempo parcial.

Además de probar la eficacia de la refrigeración del dispositivo a diferentes temperaturas de entrada, el equipo investigó la temperatura del agua al entrar en la cámara de microfluidos. Su estudio reveló que el sistema era capaz de lograr una refrigeración eficaz a una amplia gama de temperaturas: 6°C, 21°C, 34°C y 42°C. Incluso a temperaturas ambientales elevadas, esta tecnología puede emplearse para mejorar sustancialmente las temperaturas de funcionamiento.

Una solución para el futuro

Las CPU y las GPU han necesitado cada vez más electricidad a medida que la fabricación de chips se ha hecho más densa. Las limitaciones de los métodos de refrigeración tradicionales han evitado el sobrecalentamiento durante mucho tiempo. Incluso con las mejores soluciones de refrigeración actuales, corremos el riesgo de freír nuestros pobres transistores al liberar cada vez más rendimiento de unas matrices cada vez más pequeñas.

De aquí a 2030, se espera que las CPUs y GPUs de los servidores experimenten un aumento anual del 7% en el consumo de energía, con un TDP de 400W en la década de 2030. Esto podría ser bastante optimista, ya que vistos los diseños de NVIDIA actuales, ya consumen muchos vatios, y se aproximan a esas cifras en 2022…

Un verdadero diseño de chip 3D apila los chips uno encima de otro para conseguir un mayor espacio en la matriz y un empaquetamiento más ajustado para mejorar el rendimiento y la eficiencia, pero complica la disipación de calor. La CPU 5800X 3XD, bloqueada para el overclocking, ha sido el último ejemplo de AMD. Las dificultades de disipación del calor fueron una de las razones por las que la empresa decidió no comercializar una 5900X de 12 núcleos con V-Cache 3D, a pesar de que ya había promocionado una CPU de este tipo en su día. Para que este tipo de refrigeración microfluídica funcione es necesario, no sólo la caché de relativamente bajo consumo.

TSMC está investigando estos sistemas de refrigeración con el objetivo de integrarlos directamente en sus instalaciones de fabricación. Algún día, se podrían comprar CPUs que incluyan cámaras microfluídicas y bastaría con conectar un bucle de refrigeración líquida a las válvulas de entrada y salida de agua de los propios chips.

Las tendencias de la industria coinciden con las conclusiones del investigador, lo que indica que estos sistemas ofrecerán una refrigeración escalable y eficiente cuando se acaben implantando (y creemos que será más pronto que tarde). Al reducir las temperaturas de funcionamiento, estos sistemas permitirían alcanzar mayores niveles de potencia y sistemas informáticos más eficientes, al tiempo que reducirían el impacto medioambiental. El resultado sería una mayor eficiencia energética.

Una ventaja adicional de estos sistemas de refrigeración directa es que son mucho más eficientes que las soluciones de refrigeración por aire a escala de sala (o de centro de datos), que normalmente se esfuerzan por enfriar cientos de metros cúbicos de espacio para refrigerar un pequeño chip. Algo interesante especialmente en el ámbito del HPC y los centros de datos.

Ahora ya conoces un poco más sobre este novedoso sistema de refrigeración que podría ser tendencia en un futuro próximo para disipar de forma más eficiente la temperatura generada por los chips…