অর্ধ শতাব্দীরও বেশি সময় ধরে, মুরের আইনের অবিরাম অগ্রগতি ইঞ্জিনিয়ারদের প্রতি দুই বছরে একটি চিপে ট্রানজিস্টরের সংখ্যা দ্বিগুণ করতে বাধ্য করেছে, যা কম্পিউটিং শক্তির সূচকীয় বৃদ্ধিকে ইন্ধন জোগাচ্ছে। তবুও চিপগুলি ঘন এবং আরও শক্তিশালী হয়ে ওঠার সাথে সাথে একটি শক্তিশালী প্রতিপক্ষের আবির্ভাব ঘটেছে: তাপ। আধুনিক সিপিইউ এবং জিপিইউগুলির মধ্যে ক্রমবর্ধমান তাপমাত্রার সুদূরপ্রসারী পরিণতি রয়েছে যা কর্মক্ষমতা এবং বিদ্যুৎ খরচকে প্রভাবিত করে। সময়ের সাথে সাথে, অতিরিক্ত তাপ গুরুত্বপূর্ণ সংকেত প্রচারকে ধীর করে দেয়, চিপের কর্মক্ষমতা হ্রাস করে এবং কারেন্ট লিকেজ বৃদ্ধি করে – শক্তি অপচয় করে এবং মুরের আইনে একসময় প্রতিশ্রুতি দেওয়া দক্ষতা লাভকে ক্ষুণ্ন করে।
অন্তর্নিহিত সমস্যাটি ডেনার্ড স্কেলিংয়ের সমাপ্তির সাথে ঘনিষ্ঠভাবে জড়িত, একটি নীতি যা একসময় ইঞ্জিনিয়ারদের ট্রানজিস্টর সঙ্কুচিত করতে এবং একই সাথে ভোল্টেজ হ্রাস করতে দেয় – বিদ্যুৎ খরচ নিয়ন্ত্রণে রাখে। তবে, 2000-এর দশকের মাঝামাঝি সময়ে, আরও ভোল্টেজ হ্রাস অবাস্তব হয়ে ওঠে, এমনকি ট্রানজিস্টরের ঘনত্ব বৃদ্ধি পেতে থাকে। এই বিচ্যুতির ফলে বিদ্যুৎ ঘনত্বের ক্রমাগত বৃদ্ধি ঘটে এবং অনিবার্যভাবে, তাপ উৎপাদন বৃদ্ধি পায়।
চিপগুলি যত বেশি কম্প্যাক্ট এবং শক্তিশালী হচ্ছে, তাপীয় লোড পরিচালনা করা সেমিকন্ডাক্টর শিল্পের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ চ্যালেঞ্জ হয়ে দাঁড়িয়েছে। IMEC-তে সিস্টেম টেকনোলজি কো-অপ্টিমাইজেশন প্রোগ্রামের নেতৃত্বদানকারী এবং IEEE স্পেকট্রামের জন্য একটি সাম্প্রতিক নিবন্ধের লেখক জেমস মায়ার্সের মতে, বিকশিত সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তিগুলি তাপ উৎপাদন এবং অপচয়কে কীভাবে প্রভাবিত করবে তা ভবিষ্যদ্বাণী করার এবং সমাধান করার জন্য একটি নতুন পদ্ধতির প্রয়োজন।
মায়ার্স এবং তার সহকর্মীরা একটি সিমুলেশন ফ্রেমওয়ার্ক তৈরি করেছেন যা মালিকানাধীন সফ্টওয়্যারের সাথে শিল্প-মানক এবং ওপেন-সোর্স ইলেকট্রনিক ডিজাইন অটোমেশন সরঞ্জামগুলিকে একীভূত করে। এই ফ্রেমওয়ার্ক তাদের চিপ প্রযুক্তি এবং সিস্টেম-স্তরের তাপীয় আচরণের মধ্যে পারস্পরিক সম্পর্ক অন্বেষণ করতে দেয়।
তাদের অনুসন্ধানগুলি দ্ব্যর্থক: প্রতিটি নতুন প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তি তাপীয় চ্যালেঞ্জকে আরও বাড়িয়ে তোলে। নির্মাতারা ন্যানোশিট ট্রানজিস্টর এবং অবশেষে পরিপূরক ক্ষেত্র-প্রভাব ট্রানজিস্টর (CFETs) -এ রূপান্তরিত হওয়ার সাথে সাথে শক্তির ঘনত্ব বৃদ্ধি পেতে থাকে। ভবিষ্যতের প্রযুক্তি নোড, যেমন A10 (1 ন্যানোমিটার) এবং A5 এর সিমুলেশন, A10 থেকে A5 পর্যন্ত পাওয়ার ঘনত্বে 12 থেকে 15 শতাংশ বৃদ্ধির প্রক্ষেপণ করে, যার ফলে একই অপারেটিং ভোল্টেজে প্রায় নয় ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা বৃদ্ধি পাবে।
লক্ষ লক্ষ চিপ ধারণকারী ডেটা সেন্টারগুলিতে, পাওয়ার ঘনত্বের এই বৃদ্ধি স্থিতিশীল অপারেশন এবং বিপর্যয়কর তাপীয় পলাতকতার মধ্যে পার্থক্য চিহ্নিত করতে পারে। ঐতিহ্যবাহী শীতলকরণ পদ্ধতি, যেমন এয়ার-কুলড হিটসিঙ্ক, ইতিমধ্যেই উচ্চ-কার্যক্ষমতা সম্পন্ন সুবিধাগুলিতে তরল শীতলকরণ দ্বারা পরিপূরক করা হচ্ছে। তবে, পরবর্তী প্রজন্মের চিপ প্রযুক্তি দ্বারা উৎপন্ন তাপ পরিচালনা করার জন্য এই উন্নত কৌশলগুলিও অপর্যাপ্ত হতে পারে।
এটি সমাধানের জন্য, গবেষকরা বিকল্প সমাধানগুলি অনুসন্ধান করছেন, যার মধ্যে রয়েছে মাইক্রোফ্লুইডিক কুলিং, যা চিপের মধ্যে এমবেড করা মাইক্রোস্কোপিক প্যাসেজের মাধ্যমে কুল্যান্টকে চ্যানেল করে; জেট ইম্পিঞ্জমেন্ট, যা চিপের পৃষ্ঠে নির্দেশিত উচ্চ-বেগের কুল্যান্ট স্ট্রিম ব্যবহার করে; এবং নিমজ্জন কুলিং, যেখানে পুরো বোর্ডগুলি তাপীয়ভাবে পরিবাহী ডাইইলেক্ট্রিক তরলে ডুবে থাকে।
তবুও এই পদ্ধতিগুলি সমস্ত সেটিংসে ব্যবহারিক নাও হতে পারে – বিশেষ করে মোবাইল ডিভাইসগুলিতে যেখানে আকার, ওজন এবং ব্যাটারির আয়ু কঠোরভাবে সীমাবদ্ধ, অথবা ডেটা সেন্টারগুলিতে যেখানে অবকাঠামোগত আপগ্রেড ব্যয়বহুল এবং বিঘ্নিত হতে পারে।
কুলিংয়ের বাইরে, তাপমাত্রা পরিচালনা করার জন্য সিস্টেম-স্তরের কৌশলগুলি ক্রমবর্ধমানভাবে ব্যবহৃত হচ্ছে। উদাহরণস্বরূপ, তাপীয় সেন্সরগুলি ভোল্টেজ এবং ফ্রিকোয়েন্সিতে গতিশীল হ্রাসকে ট্রিগার করতে পারে যাতে বিদ্যুৎ খরচ কম হয়। যাইহোক, এটি প্রায়শই কর্মক্ষমতার ব্যয়ে আসে, যা এমন যে কারও কাছে পরিচিত যার স্মার্টফোন সরাসরি সূর্যের আলোর তাপে ধীর হয়ে যায়।
থার্মাল স্প্রিন্টিং নামে পরিচিত আরেকটি কৌশল, প্রসেসর কোরগুলির মধ্যে কাজের চাপ ঘোরায়, অতিরিক্ত গরম কোরগুলিকে ঠান্ডা হতে দেয় যখন অন্যরা দায়িত্ব নেয়। যদিও স্বল্প সময়ের জন্য কার্যকর, এই পদ্ধতি সামগ্রিক থ্রুপুট কমাতে পারে এবং টেকসই কাজের চাপের সময় বিলম্বিত হতে পারে।
তাপ ব্যবস্থাপনায় একটি নতুন প্রতিশ্রুতিশীল সীমানা হল চিপ ওয়েফারের পিছনের দিকটি ব্যবহার করা। পাওয়ার ডেলিভারি নেটওয়ার্ককে চিপের নীচের দিকে স্থানান্তরিত করে, যা ব্যাকসাইড পাওয়ার ডেলিভারি নেটওয়ার্ক (BSPDN) নামে পরিচিত, ইঞ্জিনিয়াররা বৈদ্যুতিক প্রতিরোধ ক্ষমতা কমাতে এবং কম ভোল্টেজে অপারেশন সক্ষম করতে পারে, যার ফলে তাপ উৎপাদন হ্রাস পায়।
সমস্ত প্রধান উন্নত CMOS ফাউন্ড্রি 2026 সালের মধ্যে BSPDN প্রযুক্তি গ্রহণ করবে বলে আশা করা হচ্ছে। ভবিষ্যতের উন্নতির মধ্যে উচ্চ-ক্ষমতা সম্পন্ন ক্যাপাসিটর এবং পিছনের দিকে অন-চিপ ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রকগুলিকে একীভূত করা, সূক্ষ্ম ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ সক্ষম করা এবং শক্তি দক্ষতা আরও উন্নত করা অন্তর্ভুক্ত থাকতে পারে।
এই উদ্ভাবনগুলি বিনিময়-বিহীন নয়। সিলিকন সাবস্ট্রেটকে পাতলা করে ব্যাকসাইড প্রযুক্তি সক্ষম করলে তাপ অপচয় করার ক্ষমতা হ্রাস পেতে পারে, সম্ভাব্যভাবে নতুন তাপীয় হটস্পট তৈরি হতে পারে। সিমুলেশনগুলি পরামর্শ দেয় যে BSPDN স্থানীয় তাপমাত্রা 14 ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত বৃদ্ধি করতে পারে, যা অতিরিক্ত প্রশমন কৌশলের প্রয়োজনীয়তা তুলে ধরে।
এই উন্নয়নগুলি Imec “CMOS 2.0” যুগ হিসাবে উল্লেখ করে, যা উন্নত ট্রানজিস্টর আর্কিটেকচার এবং বিশেষায়িত লজিক স্তর দ্বারা সংজ্ঞায়িত করা হয়েছে। চিপ জুড়ে সংকেতগুলি কীভাবে চালিত হয় তা অপ্টিমাইজ করে, এই প্রযুক্তিগুলি তাপ ব্যবস্থাপনায় সম্ভাব্য লাভের পাশাপাশি উন্নত কর্মক্ষমতা এবং শক্তি দক্ষতা প্রদানের লক্ষ্য রাখে।
তবুও, সম্পূর্ণ তাপীয় প্রভাব অনিশ্চিত রয়ে গেছে এবং এই প্রযুক্তিগুলি বিকশিত হতে থাকায় পুঙ্খানুপুঙ্খ তদন্তের দাবি রাখে।
মায়ার্স সতর্ক করেছেন যে তাপ নিয়ন্ত্রণের জন্য সফ্টওয়্যার-ভিত্তিক পদ্ধতিগুলি, যদিও কার্যকর, স্বভাবতই অস্পষ্ট। তারা প্রায়শই প্রয়োজনের চেয়ে বেশি চিপের ক্ষেত্রফল কমিয়ে দেয়, যা অপ্রয়োজনীয়ভাবে কর্মক্ষমতা হ্রাস করতে পারে। পরিবর্তে, তিনি সিস্টেম প্রযুক্তি সহ-অপ্টিমাইজেশন নামে পরিচিত একটি সামগ্রিক কৌশলের পক্ষে পরামর্শ দেন, যা সিস্টেম নকশা, ভৌত বিন্যাস এবং প্রক্রিয়া প্রযুক্তিকে একটি সমন্বিত উন্নয়ন প্রক্রিয়ায় একীভূত করে।
মায়ার্স উপসংহারে পৌঁছেছেন যে বিভিন্ন শাখায় সহযোগিতা বৃদ্ধি করে এবং উন্নত সিমুলেশন সরঞ্জামগুলি ব্যবহার করে, শিল্প ভবিষ্যতের চিপগুলির মুখোমুখি ক্রমবর্ধমান তাপীয় চ্যালেঞ্জগুলি আরও ভালভাবে অনুমান করতে এবং মোকাবেলা করতে পারে।
সূত্র: TechSpot / Digpu NewsTex