Hot Chips 2024 | 人工智能时代的冷却技术

逍遥设计自动化

引言
在人工智能和计算需求不断增长的时代，电子设备的散热管理变得越来越重要。本文旨在帮助了解是Frore Systems公司开发的突破性固态主动冷却技术AirJet。随着我们不断突破摩尔定律的界限并拥抱人工智能革命，传统冷却方案正在面临巨大挑战[1]。
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0 U; S$ L" G" S- o, D9 [3 o) i现代计算中的散热问题
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( o7 I$ P/ h8 N- `/ _, X图1：摩尔定律面临的挑战，强调了晶体管数量、芯片面积和总热输出的增加。
0 C" h6 q: o9 o1 @9 Z
, H. u3 I' L# u随着晶体管数量和芯片面积持续增加，每个晶体管的功耗虽然趋于稳定，但总热输出却显著增加。这一趋势可能会阻碍摩尔定律的进展，而摩尔定律一直是推动技术进步的主要动力。
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' M; ~6 a# h: h3 M* ?; R. y# L; `人工智能革命进一步加剧了这个问题。据估计，到2030年，人工智能计算需求将增加300%以上，对性能的需求正将我们的设备推向散热极限。

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/ _9 z7 L" O9 E: ]4 w) v图2：各种受益于设备端人工智能的应用和行业，包括平板电脑、笔记本电脑、智能手机和工业设置。

设备端人工智能正在各种应用和行业中变得越来越普遍。从个人设备上的智能视频编辑和实时翻译，到工业环境中的预测性维护和智慧城市管理，对人工智能能力的需求无处不在。然而，如果没有足够的冷却解决方案，边缘设备将难以有效运行这些人工智能应用。
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& B: j; V5 K/ G- \" \, R- R* M现有冷却解决方案的局限性
4 x: N" d5 N( t目前的散热管理技术大致可以分为两类：
1. 被动冷却设备：
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例如：平板电脑、智能手机、无风扇笔记本电脑

依靠导热和辐射到环境中

设计紧凑纤薄，空间有限

散热包络限制在5-10W
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2. 主动冷却设备：

例如：游戏笔记本电脑、工业PC

使用散热器、热管、风扇和鼓风机

体积大、噪音大、重量大，可靠性存在问题

散热包络范围为15-35W
" V/ N0 @0 A! B# S) d8 x' Y1 i9 Y
3 a0 N0 {. e) Z这些现有解决方案无法满足现代人工智能驱动设备的苛刻要求。理想的散热解决方案需要提供高散热率，同时保持纤薄、轻便、静音，并能在密集紧凑的设备中有效运作。此外，还应具备防尘、防水、可靠和可扩展的特性。
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, t7 @) \" M* Z1 a& rAirJet：革命性冷却解决方案
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图3：展示AirJet Mini，这是一种基于MEMS技术的固态主动冷却芯片，同时列出了其主要规格。

; j0 f: Z- U; k/ I7 m* S, OAirJet Mini是Frore Systems公司开发的一款突破性固态主动冷却芯片。基于MEMS（微机电系统）技术，这种创新解决方案解决了传统冷却方法的局限性，同时满足了现代设备的苛刻要求。
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AirJet Mini的主要特点包括：

散热量：5.25 W

背压：1750帕斯卡

最大功耗：1 W

重量：7克

厚度：2.5毫米
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0 ~& z) U( J3 E/ w* }. v# R图4：说明AirJet的工作原理，展示了固态主动冷却MEMS芯片及其与处理器的相互作用。
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7 m" M( L9 C0 RAirJet利用独特的射流冲击技术实现高热传递率。固态主动冷却MEMS芯片产生强大的气流，直接冲击处理器，有效散热。出口空气温度约等于处理器温度，确保最佳冷却性能。

制造过程

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% P- t+ i4 I5 D& U: M5 f, L. \图5：用于在非硅晶圆上制造AirJet的定制半导体工艺。

AirJet代表了一个全新的芯片类别，采用独特的材料、设计和制造工艺。生产在Frore Systems位于台湾的专用晶圆厂进行，使用非硅晶圆的定制半导体工艺。这种创新方法使得冷却解决方案能够结合固态技术的优势和主动冷却系统的性能。
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实际应用和性能提升
: J% ], N3 y( \' jAirJet技术已成功应用于各种设备，在不同形态因素下展现出显著的性能提升：

1. 超薄无风扇笔记本电脑：

CPU功率提高67%

CPU性能提高23%

静音运行

SoC功率从12W增加到20W
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2. 高端平板电脑：

持续SoC性能提高100%

SoC功率从5W增加到10.4W

3. 智能手机：
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性能提高40%

相同厚度，摄像头突起延长

兼容IP68防水防尘标准

SoC功率从5W增加到7W

" W2 M( e0 R) f) Y  l4. 移动SSD配件：
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性能提升3倍

运行温度降低20°C

全速持续雷电传输，无节流

系统功率从14W增加到24W

表面温度从72°C降至60°C

( g$ f/ D4 s" U6 s5. 工业迷你PC：

无风扇设计，配备2个AirJet Mini

系统功率从14W增加到24W

表面温度从72°C降至60°C
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6. 智慧城市摄像头：

恶劣环境下的边缘设备冷却

3个AirJet Mini冷却Nvidia Nano 8GB

系统功率从10W增加到22W
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1 f" T5 @( ~, s' D+ X这些实际应用展示了AirJet技术在各种设备和使用场景中的多功能性和有效性。

未来发展：用于数据中心的LiquidJet
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) z3 q/ w' G0 L  s# B% o; p图6：比较AirJet（使用空气）和LiquidJet（使用水）在数据中心应用中的散热性能。
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3 s; R, `; e. m4 [# c, C) ~) p/ w5 }Frore Systems正在开发LiquidJet，这是为数据中心应用而设计的固态主动冷却MEMS技术的改进版。通过将冷却介质从空气替换为水，LiquidJet有望提供指数级提升的散热能力：
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AirJet（空气）：5.25W散热量

LiquidJet（水）：22000W散热量
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这一显著的冷却能力提升可能会彻底改变数据中心的散热管理，为大规模计算环境提供更高的性能和效率。

结论
" ]# w2 x6 p/ Y7 {  `4 `随着不断推动计算能力的边界并拥抱人工智能革命，有效的散热管理变得越来越重要。AirJet技术代表了冷却解决方案的重大进展，为各种设备提供了紧凑、高效和多功能的散热方法。

通过在更小的形态因素中实现更高的性能，AirJet为下一代具备人工智能能力的边缘设备开辟道路。从超薄笔记本电脑和智能手机到工业应用和智慧城市基础设施，创新的冷却技术正在帮助释放现代计算的全部潜力。

参考文献
" M( l+ w& I% Z4 r9 t. n[1] S. Sathyamurthy, "AirJet: Solid-state active cooling helps maintain Moore's Law," in Hot Chips 2024, 2024.

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