Yapay zeka (YZ) işlemcilerinin güç tüketimi son yıllarda istikrarlı bir şekilde artıyor ve daha fazla hesaplama ve HBM (Yüksek Bant Genişlikli Bellek) çipçiği içerdikçe yükselmeye devam etmesi bekleniyor. Sektörden bazı kaynaklar, yeni nesil YZ grafik işlemcileri için termal tasarım gücünün (TDP) 6.000W ila 9.000W aralığında olabileceğini belirtiyor. Ancak önde gelen bir araştırma enstitüsünden uzmanlar, YZ grafik işlemcilerinin TDP'sinin önümüzdeki 10 yıl içinde tam 15.360W'a kadar çıkacağına inanıyorlar. Bunun sonucunda, daldırma (immersion) ve hatta gömülü (embedded) soğutma gibi oldukça ekstrem soğutma yöntemleri gerekecek.
Yakın zamana kadar, yüksek performanslı hava soğutma sistemleri (bakır radyatörler ve yüksek basınçlı fanlar içerenler) mevcut YZ işlemcilerini soğutmak için yeterliydi. Ancak yeni nesil işlemcilerin ısı dağılımı 1.200W'a ve daha sonra 1.400W'a çıktıkça, sıvı soğutma çözümleri neredeyse zorunlu hale geldi. TDP'nin 1.800W'a çıkması ve sonrasında çift GPU çipçiği ve HBM modülü ile birlikte TDP'nin 3.600W'a ulaşmasıyla işler daha da ısınıyor. Araştırmacılar, bu yeni işlemcilerde çipe doğrudan (direct-to-chip - D2C) sıvı soğutma kullanılacağını, ancak gelecek nesillerde daha güçlü bir şeye ihtiyaç duyulacağını öngörüyor.
Gelecek Nesil YZ İşlemcilerinde Beklenen Isı Dağılımı
Araştırmacılar, YZ GPU modüllerinin 4.400W ısı dağıtacağını tahmin ederken, sektördeki bazı diğer kaynaklar ise bu değerin 6.000W'a kadar yükselebileceğini belirtiyor. Bu denli aşırı termal değerler, tüm GPU-HBM modüllerinin termal bir sıvıya batırıldığı daldırma soğutmanın kullanımını gerektirecek. Ayrıca, bu işlemcilerin ve HBM modüllerinin, ısı dağılımına ayrılmış silikon substrattaki dikey kanallar (termal vias - TTVs) aracılığıyla tanıtılması bekleniyor. Bunlar, gerçek zamanlı termal izleme ve geri bildirim kontrolü için HBM modülü taban kalıbına gömülü termal bağlama katmanları ve sıcaklık sensörleri ile eşleştirilecek.
Daldırma soğutmanın, paket başına TDP'nin 5.920W veya hatta 9000W'a çıkacağı 2032 yılına kadar yeterli olması bekleniyor.
Bir GPU modülündeki ana güç tüketicilerinin hesaplama çipçikleri olduğunu belirtmek gerekir. Ancak, HBM yığınlarının sayısı artıp, yığın başına güç tüketiminin artmasıyla, belleğin güç tüketimi tüm paketin yaklaşık üçte biri olan 2.000W civarında olacaktır.
Araştırmacılar, 2035 yılına gelindiğinde YZ grafik işlemcilerinin güç tüketiminin yaklaşık 15.360W'a yükseleceğini ve bunun hem hesaplama hem de bellek çipçikleri için gömülü soğutma yapılarını gerektireceğini teorileştiriyorlar. Uzmanlar iki temel yenilikten bahsediyor: Isıyı sıcak noktalardan soğutma arayüzlerine yanal olarak taşıyan termal iletim hatları (thermal transmission lines - TTLs) ve soğutucunun HBM yığını boyunca dikey olarak akmasını sağlayan akışkan TSV'ler (fluidic TSVs - F-TSVs). Bu yöntemler, termal stabiliteyi korumak için doğrudan interposer ve silikon içine entegre ediliyor.
2038 yılına kadar, tamamen entegre termal çözümler daha da yaygınlaşacak ve gelişecek. Bunlar, her iki tarafta dikey istiflemeyi mümkün kılmak için çift taraflı interposerlar ve baştan sona gömülü akışkan soğutma kullanacak. Ayrıca, 'GPU-on-top' mimarileri, hesaplama katmanından ısı giderilmesine öncelik verilmesine yardımcı olurken, koaksiyal TSV'ler sinyal bütünlüğü ve termal akışın dengelenmesine destek olacak.
