आधी सदी से भी ज़्यादा समय से, मूर के नियम की निरंतर प्रगति ने इंजीनियरों को लगभग हर दो साल में एक चिप पर ट्रांजिस्टर की संख्या दोगुनी करने के लिए प्रेरित किया है, जिससे कंप्यूटिंग शक्ति में तेज़ी से वृद्धि हुई है। फिर भी, जैसे-जैसे चिप्स सघन और अधिक शक्तिशाली होते गए हैं, एक दुर्जेय प्रतिद्वंदी उभर कर सामने आया है: गर्मी। आधुनिक सीपीयू और जीपीयू में बढ़ते तापमान के दूरगामी परिणाम होते हैं जो प्रदर्शन और बिजली की खपत को प्रभावित करते हैं। समय के साथ, अत्यधिक गर्मी महत्वपूर्ण सिग्नल प्रसार को धीमा कर देती है, चिप के प्रदर्शन को कमज़ोर कर देती है, और करंट लीकेज को बढ़ा देती है – जिससे बिजली की बर्बादी होती है और मूर के नियम द्वारा कभी वादा किए गए दक्षता लाभ कम हो जाते हैं।
मूल समस्या डेनार्ड स्केलिंग के अंत से निकटता से जुड़ी हुई है, एक ऐसा सिद्धांत जिसने कभी इंजीनियरों को ट्रांजिस्टर को छोटा करने और वोल्टेज को एक साथ कम करने की अनुमति दी थी – जिससे बिजली की खपत नियंत्रण में रहती थी। हालाँकि, 2000 के दशक के मध्य तक, वोल्टेज में और कमी करना अव्यावहारिक हो गया, जबकि ट्रांजिस्टर का घनत्व लगातार बढ़ रहा था। इस विचलन के कारण शक्ति घनत्व में लगातार वृद्धि हुई और, अनिवार्य रूप से, अधिक ऊष्मा उत्पादन हुआ।
जैसे-जैसे चिप्स अधिक कॉम्पैक्ट और शक्तिशाली होते जा रहे हैं, सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए तापीय भार का प्रबंधन एक गंभीर चुनौती बन गया है। इमेक में सिस्टम टेक्नोलॉजी को-ऑप्टिमाइज़ेशन प्रोग्राम का नेतृत्व करने वाले और आईईईई स्पेक्ट्रम के लिए हाल ही में एक लेख लिखने वाले जेम्स मायर्स के अनुसार, यह अनुमान लगाने और समझने के लिए एक नए दृष्टिकोण की आवश्यकता है कि विकसित हो रही सेमीकंडक्टर तकनीकें ऊष्मा उत्पादन और अपव्यय को कैसे प्रभावित करेंगी।
मायर्स और उनके सहयोगियों ने एक सिमुलेशन ढाँचा विकसित किया है जो उद्योग-मानक और ओपन-सोर्स इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन ऑटोमेशन टूल्स को मालिकाना सॉफ़्टवेयर के साथ एकीकृत करता है। यह ढाँचा उन्हें चिप तकनीक और सिस्टम-स्तरीय तापीय व्यवहार के बीच परस्पर क्रिया का पता लगाने की अनुमति देता है।
उनके निष्कर्ष स्पष्ट हैं: अर्धचालक तकनीक की प्रत्येक नई पीढ़ी तापीय चुनौती को और बढ़ा देती है। जैसे-जैसे निर्माता नैनोशीट ट्रांजिस्टर और अंततः पूरक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (CFET) की ओर बढ़ रहे हैं, ऊर्जा घनत्व बढ़ता जा रहा है। भविष्य की तकनीकी नोड्स, जैसे A10 (1 नैनोमीटर) और A5, के सिमुलेशन, A10 से A5 तक ऊर्जा घनत्व में 12 से 15 प्रतिशत की वृद्धि का अनुमान लगाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप समान ऑपरेटिंग वोल्टेज पर तापमान में लगभग नौ डिग्री सेल्सियस की वृद्धि होती है।
लाखों चिप्स वाले डेटा केंद्रों में, ऊर्जा घनत्व में ऐसी वृद्धि स्थिर संचालन और विनाशकारी तापीय पलायन के बीच अंतर को चिह्नित कर सकती है। पारंपरिक शीतलन विधियाँ, जैसे वायु-शीतित हीटसिंक, उच्च-प्रदर्शन सुविधाओं में पहले से ही द्रव शीतलन द्वारा पूरक की जा रही हैं। हालाँकि, ये उन्नत तकनीकें भी अगली पीढ़ी की चिप तकनीकों द्वारा उत्पन्न ऊष्मा को नियंत्रित करने के लिए अपर्याप्त हो सकती हैं।
इस समस्या के समाधान के लिए, शोधकर्ता वैकल्पिक समाधानों की खोज कर रहे हैं, जिनमें माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग शामिल है, जो चिप के भीतर स्थित सूक्ष्म मार्गों से शीतलक को प्रवाहित करती है; जेट इम्पिंगमेंट, जो चिप की सतह पर उच्च-वेग वाले शीतलक धाराओं का उपयोग करता है; और इमर्शन कूलिंग, जहाँ पूरे बोर्ड एक तापीय चालक परावैद्युत द्रव में डूबे रहते हैं।
हालांकि, ये तरीके सभी परिस्थितियों में व्यावहारिक नहीं हो सकते हैं – खासकर मोबाइल उपकरणों में जहाँ आकार, वज़न और बैटरी लाइफ़ सीमित होती है, या डेटा सेंटर में जहाँ बुनियादी ढाँचे का उन्नयन महंगा और व्यवधानकारी हो सकता है।
शीतलन के अलावा, तापमान प्रबंधन के लिए सिस्टम-स्तरीय रणनीतियों का उपयोग तेज़ी से बढ़ रहा है। उदाहरण के लिए, थर्मल सेंसर, बिजली की खपत कम करने के लिए वोल्टेज और आवृत्ति में गतिशील कमी ला सकते हैं। हालाँकि, यह अक्सर प्रदर्शन की कीमत पर होता है, एक ऐसा समझौता जो उन सभी के लिए परिचित है जिनका स्मार्टफ़ोन सीधी धूप में धीमा हो जाता है।
थर्मल स्प्रिंटिंग नामक एक अन्य तकनीक, प्रोसेसर कोर के बीच कार्यभार को घुमाती है, जिससे ज़्यादा गरम कोर ठंडे हो जाते हैं जबकि अन्य कोर कार्यभार संभाल लेते हैं। हालाँकि यह थोड़े समय के लिए गतिविधि के लिए प्रभावी है, यह तरीका समग्र थ्रूपुट को कम कर सकता है और निरंतर कार्यभार के दौरान विलंबता ला सकता है।
थर्मल प्रबंधन में एक आशाजनक नई सीमा चिप वेफर के पिछले हिस्से का लाभ उठाना है। पावर डिलीवरी नेटवर्क को चिप के निचले हिस्से में स्थानांतरित करके, जिसे बैकसाइड पावर डिलीवरी नेटवर्क (BSPDN) के रूप में जाना जाता है, इंजीनियर विद्युत प्रतिरोध को कम कर सकते हैं और कम वोल्टेज पर संचालन को सक्षम कर सकते हैं, जिससे ऊष्मा उत्पादन कम हो सकता है।
सभी प्रमुख उन्नत CMOS फाउंड्रीज़ द्वारा 2026 तक BSPDN तकनीक को अपनाने की उम्मीद है। भविष्य के सुधारों में उच्च क्षमता वाले कैपेसिटर और ऑन-चिप वोल्टेज रेगुलेटर को पीछे की तरफ एकीकृत करना शामिल हो सकता है, जिससे बेहतर वोल्टेज नियंत्रण संभव होगा और ऊर्जा दक्षता में और सुधार होगा।
ये नवाचार बिना किसी समझौते के नहीं हैं। बैकसाइड तकनीकों को सक्षम करने के लिए सिलिकॉन सब्सट्रेट को पतला करने से उसकी ऊष्मा अपव्यय क्षमता कम हो सकती है, जिससे संभावित रूप से नए थर्मल हॉट स्पॉट बन सकते हैं। सिमुलेशन से पता चलता है कि बीएसपीडीएन स्थानीय तापमान को 14 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ा सकते हैं, जिससे अतिरिक्त शमन रणनीतियों की आवश्यकता पर प्रकाश डाला गया है।
ये विकास उस युग के अंतर्गत आते हैं जिसे इमेक “सीएमओएस 2.0” युग कहता है, जिसे उन्नत ट्रांजिस्टर आर्किटेक्चर और विशिष्ट लॉजिक लेयर्स द्वारा परिभाषित किया गया है। चिप में सिग्नल कैसे संचालित होते हैं, इसे अनुकूलित करके, इन तकनीकों का उद्देश्य थर्मल प्रबंधन में संभावित लाभ के साथ-साथ बेहतर प्रदर्शन और ऊर्जा दक्षता प्रदान करना है।
फिर भी, पूर्ण थर्मल निहितार्थ अनिश्चित बने हुए हैं और इन तकनीकों के निरंतर विकास के साथ गहन जांच की मांग करते हैं।
मायर्स चेतावनी देते हैं कि थर्मल नियंत्रण के लिए सॉफ़्टवेयर-आधारित दृष्टिकोण, उपयोगी होते हुए भी, स्वाभाविक रूप से अस्पष्ट हैं। वे अक्सर चिप के आवश्यकता से अधिक बड़े क्षेत्रों को थ्रॉटल कर देते हैं, जिससे प्रदर्शन अनावश्यक रूप से कम हो सकता है। इसके बजाय, वह एक समग्र रणनीति की वकालत करते हैं जिसे सिस्टम टेक्नोलॉजी सह-अनुकूलन कहा जाता है, जो सिस्टम डिज़ाइन, भौतिक लेआउट और प्रक्रिया तकनीक को एक एकीकृत विकास प्रक्रिया में एकीकृत करता है।
मायर्स का निष्कर्ष है कि विभिन्न विषयों में सहयोग को बढ़ावा देकर और उन्नत सिमुलेशन टूल्स का लाभ उठाकर, उद्योग भविष्य के चिप्स के सामने आने वाली बढ़ती थर्मल चुनौतियों का बेहतर अनुमान लगा सकता है और उनका समाधान कर सकता है।
स्रोत: टेकस्पॉट / डिग्पू न्यूज़टेक्स