در جهانی که هر کلیک، هر استریم و هر عملیات سادهٔ دیجیتال به پردازشی عظیم در مراکز داده منتهی می‌شود، گرما دیگر صرفاً یک محصول جانبی نیست؛ بلکه یک مانع کلیدی در راه توسعهٔ فناوری است. در این میان، ائتلافی هوشمندانه میان پژوهشگران «آزمایشگاه‌های ملی سندیا» (Sandia National Laboratories) و استارتاپ پیشروی «مکس‌ول لبز» (Maxwell Labs) در حال شکل‌گیری است؛ هدف این همکاری: بازتعریف مفهوم خنک‌سازی تراشه‌ها با استفاده از قدرت دقیق و اعجاب‌انگیز نور لیزر.

در این پروژه، نه از کولرهای غول‌پیکر خبری هست و نه از لوله‌کشی‌های پیچیده برای گردش آب سرد. بلکه قرار است از پدیده‌ای فیزیکی موسوم به «خنک‌سازی فوتونی» (Photonic Cooling) بهره گرفته شود؛ روشی که در آن لیزر، به جای گرم‌کردن، دمای جسم هدف را کاهش می‌دهد. این فناوری نه‌تنها کارآمدتر و تمیزتر است، بلکه می‌تواند تراشه‌ها را از محدودیت‌های حرارتی رایج آزاد کرده و عصر جدیدی از طراحی و قدرت پردازشی را رقم بزند.

چالش گرما در مراکز داده: مصرف‌ بالا، محدودیت‌ پردازشی

مراکز داده (Data Centers) امروز در قلب اقتصاد دیجیتال ما تپش دارند. هر وب‌سایت، اپلیکیشن یا خدمات ابری برای فعالیت خود به سرورهایی وابسته است که درون این مراکز فعالیت می‌کنند. اما همین سرورها، گرمای فراوانی تولید می‌کنند که باید با صرف انرژی زیاد مهار شود. طبق بررسی‌ها، حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد انرژی مصرفی مراکز داده فقط صرف سیستم‌های خنک‌کننده می‌شود. این میزان بالا، نه‌تنها هزینه‌ها را بالا می‌برد، بلکه منابع انرژی محلی را هم تحت فشار قرار می‌دهد.

در نتیجه، پژوهش برای یافتن راهی جایگزین و مؤثرتر، به یک ضرورت فناورانه تبدیل شده است. و پاسخ شاید در نوری نهفته باشد که به جای سوزاندن، خنک می‌کند.

راز لیزری که داغ نمی‌کند: فیزیک پشت خنک‌سازی فوتونی

در نگاه اول ممکن است عجیب به‌نظر برسد: مگر می‌شود لیزر چیزی را سرد کند؟ اما فیزیک مدرن به ما می‌گوید بله، می‌شود – البته اگر شرایط دقیقاً کنترل‌شده باشند.

در این روش، یک پرتوی لیزر با فرکانس بسیار خاص به سطح ماده‌ای مشخص تابیده می‌شود. این تابش باعث می‌شود که اتم‌های سطحی ماده، فوتون‌هایی با انرژی بالاتر از انرژی ورودی را بازتاب دهند. این بازتابِ پرانرژی باعث خارج‌شدن گرما از ماده می‌شود. به زبان ساده، ماده انرژی از دست می‌دهد و خنک می‌شود.

در این پروژه، مناطق داغِ سطح تراشه‌ها – که اندازه‌شان در حد چند صد میکرون است – با کمک لیزرهایی به‌صورت هدفمند مورد حمله قرار می‌گیرند. برخلاف روش‌های سنتی، اینجا خنک‌سازی به‌جای پخش‌شدن، دقیقاً روی نقاط بحرانی متمرکز می‌شود؛ جایی که بیشترین گرما و بیشترین نیاز به کنترل دما وجود دارد.

جایگزین آبی: تفاوت ریشه‌ای با خنک‌سازی با آب

در حال حاضر، بیشتر پردازنده‌های مراکز داده با استفاده از صفحات مسی (Copper Plates) و عبور آب سرد از کانال‌های میکروسکوپی درون آن‌ها خنک می‌شوند. این روش کارآمد است، اما محدودیت‌های فنی و فیزیکی زیادی دارد. اول اینکه پاسخ‌دهی آن نسبتاً کند است. دوم اینکه، در صورت افزایش بار حرارتی ناگهانی، نمی‌تواند به‌سرعت واکنش نشان دهد.

تیم پژوهشی سندیا و مکس‌ول لبز قصد دارند سیستم جایگزینی بسازند: «صفحهٔ سرد فوتونی» (Photonic Cold Plate). این صفحه از ساختاری با ظرافت حیرت‌انگیز برخوردار خواهد بود – ویژگی‌هایی در ابعاد نانومتری، حتی تا هزار برابر نازک‌تر از قطر یک تار مو. این ساختار می‌تواند نور لیزر را دقیقاً به مناطقی که بیشترین گرما را دارند هدایت کند و باعث خنک‌سازی هدفمند و بسیار سریع شود.

قلب سیستم: گالیوم آرسناید، نیم‌رسانای آینده‌ساز

برای ساخت این صفحات نانویی، از ماده‌ای بسیار خاص استفاده می‌شود: «گالیوم آرسناید» (Gallium Arsenide)، نوعی نیم‌رسانا که به‌واسطهٔ خواص نوری و الکترونیکی منحصربه‌فردش، گزینه‌ای ایده‌آل برای انتقال و تنظیم نور است. این ماده باید تقریباً بدون ناخالصی و کمتر از یک میلی‌متر ضخامت داشته باشد تا بتواند در فرآیند خنک‌سازی فوتونی عملکرد مطلوبی نشان دهد.

ساخت این صفحات نیاز به دستگاهی بسیار پیشرفته به نام «واکنشگر اپیتاکسی پرتوی مولکولی» (Molecular Beam Epitaxy Reactor) دارد؛ دستگاهی که می‌تواند لایه‌هایی از ماده را در سطح اتمی بسازد، بدون اینکه ساختار آن‌ها از حالت ایده‌آل خارج شود.

تأثیرات فراتر از خنک‌سازی: راه باز برای تراشه‌های آینده

وقتی گرما دیگر عاملی محدودکننده نباشد، افق طراحی تراشه‌ها گسترده‌تر از همیشه خواهد بود. پردازنده‌هایی که اکنون باید برای جلوگیری از داغ‌شدن، با سرعت پایین‌تر کار کنند، می‌توانند با توان کامل اجرا شوند. و شاید در آینده، معماری‌های جدیدی متولد شوند که به لطف این نوع خنک‌سازی، قدرت پردازش‌هایی چندین برابر امروز داشته باشند.

مدیرعامل شرکت مکس‌ول لبز، یعقوب بالما (Jacob Balma)، در توصیف این تحول می‌گوید: «توانایی منحصربه‌فرد نور در کنترل حرارت در مقیاس مکانی بسیار کوچک و با سرعت نوری، به‌زودی مرزهای طراحی تراشه را جابه‌جا می‌کند. نمی‌توان دقیق پیش‌بینی کرد مهندسان چه خواهند کرد، اما می‌توان مطمئن بود که مسائل کاملاً جدیدی را قادر خواهیم بود حل کنیم.»

چشم‌اندازی سبزتر برای آینده‌ای روشن‌تر

فناوری خنک‌سازی لیزری، فقط دربارهٔ کاهش دما نیست. این تکنولوژی دروازه‌ای‌ست به سمت کاهش مصرف انرژی، افزایش بازدهی پردازشی، و ساخت مراکز داده‌ای که نه‌تنها قوی‌تر بلکه پایدارتر و دوست‌دار محیط‌زیست باشند.

در دنیایی که در آن انرژی گران‌تر و منابع محدودتر می‌شوند، چنین تحولاتی می‌توانند تعیین‌کنندهٔ مسیر آیندهٔ فناوری باشند. حالا که نور می‌تواند گرما را مهار کند، شاید زمان آن رسیده که گرمای فناوری را هم با دقت لیزری، مدیریت کنیم.

منبع: Sandia National Laboratories