サンディア国立研究所の支援を受ける新興企業は、世界中のスーパーコンピューターやデータセンターを効率的に稼働できる温度に保つための新しい画期的な方法を発見したと考えている。レーザーで照射するというのだ。
はい、溶接、彫刻、アルデランの爆破などの用途でレーザーを使用すると、熱が発生することが多いことは承知しています。
この新興企業は、米国のサンディア国立研究所とニューメキシコ大学を説得し、レーザーと「フォトニックコールドプレート」を組み合わせてチップを冷却するというアイデアの試験運用に協力してもらった。
コールドプレートは、CPUやGPUなどのコンポーネントに設置され、動作中に発生する熱を逃がすための高熱伝導デバイスです。一部のコールドプレートには高熱伝導性材料が使用されています。また、液体冷媒をパイプで送り、熱を吸収してデータセンター外に放出するものもあります。
マクスウェル研究所は、ガリウムヒ素から冷却プレートを作ることを提案している。ガリウムヒ素は、レーザー光子が物質の原子と奇妙かつ不思議な方法で相互作用し、レーザー照射によって冷却されることが 2012 年に発見された物質である。
冷却相互作用を生み出すには、ガリウムヒ素が超高純度の結晶層に存在する必要がある。不純物があるとレーザーエネルギーが吸収され、冷却効果が失われるからだ。サンディア国立研究所は、分子線エピタキシー法を用いて超薄層を作製する専門知識をこの分野で活用していると、同研究所は述べている。
サンディア国立研究所がマクスウェルの光子冷却プレートの製造に使用している分子線エピタキシー反応炉 - クリックして拡大
完成したコールドプレートには、最も多くの熱を発生する領域をターゲットに、特定のチップホットスポットにレーザー光を導く極小の機能が含まれます。
このマイクロターゲットレーザー冷却アプローチは全く新しいものではありません。前述の通り、2012年にはコペンハーゲン大学のチームがレーザーを用いてナノスケールの膜を-269℃まで冷却しました。最近では、ワシントン大学の科学者が同様の技術を用いて水を冷却することに成功し、レーザー冷却をミクロレベルを超えて拡張できる可能性を示唆しています。
しかし、マクスウェルはマクロ的な夢を追いかけているわけではない。むしろ、レーザー冷却が最も効果を発揮するチップのホットスポットに焦点を当て、小規模に留まっている。
「実際に冷却する必要があるのは、数百ミクロン単位の点だけだ」と、このプロジェクトを率いるサンディア研究所の物理学者ラクティム・サーマ氏は語った。
Maxwell Labs によれば、同社の光子冷却システムは、冷却能力に加え、空冷や水冷の設計では不可能なエネルギーの再利用も可能にするとのこと。
「プロセッサの廃熱を大量に再利用して冷却システムに電力を供給し、効率を高めることができます」と、マクスウェル研究所のCEO兼主任科学者ジェイコブ・バルマ氏はThe Register紙に語った。サンディア国立研究所はさらに、抽出された熱を光の形でリサイクルし、電力に変換できると説明した。
まだやるべきことはたくさんある
サーマ氏によれば、マクスウェルの研究は、光子冷却をデータセンターのワークロードに適用する初の試みとなる可能性がある。つまり、この技術が商用化されるまでには、まだやるべきことがたくさんあるということだ。
バルマ氏は、この技術はシミュレーションでは有望に見えるが、現実世界ではテストされていないと語った。
「我々の主張はすべて、レーザー冷却がチップの性能、温度、電力に及ぼす反応を詳細に調べた高度なマルチフィジックスモデリングに基づいている」とバルマ氏は述べ、同社は現在ニューメキシコ大学（UNM）とサンディア国立研究所と協力して、テスト、シミュレーション、製造作業を活発に行っていることを付け加えた。
「設計のさまざまなコンポーネントは検証済みですが、完全に統合されたフォームファクターの作業は進行中です」とバルマ氏は語った。
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将来のデータセンターは完全にレーザーで冷却されるわけではありません。それは現実的ではありません。バルマ氏は、光子冷却データセンターの運用コストについて具体的な数字は示しませんでしたが、レーザー光だけに頼るのは「最も費用対効果の高い方法」ではないと認めました。
「私たちは、光子冷却が既存の冷却インフラに取って代わると考えていません。むしろ、従来のコンピューティング性能の限界を、光子冷却がなかったらはるかに超えるレベルまで拡張できるよう、光子冷却を補強することを考えていました」とバルマ氏は述べた。
ハイブリッド設定で使用すると、レーザー冷却により従来のシステムの熱負荷が軽減され、全体的なエネルギー使用量が削減される可能性があります。
「ほとんどの顧客は、既存の空冷システムや液体冷却システムに加えて、フラクショナルレーザー冷却を使用する可能性が高い」とバルマ氏は説明した。
すべてが順調に進めば、マクスウェル研究所は2025年秋までに実用的な実証機を建設したいと考えている。
Maxwell Labs社は、昨年11月から、まだ実証されていないMXL-Gen1フォトニック冷却システムの早期導入顧客を募集していると発表した。Balma社は、これらの顧客に今後2年間でシステムを提供し、順調に進めば2027年末までに一般提供を開始する予定だ。®
