हीरे क्यों बन रहे हैं कंप्यूटर चिप्स के नए सबसे अच्छे दोस्त

Data centers squander vast amounts of electricity, most of it as heat. The physical properties of diamond offer a potential solution, researchers say.

 

 

 

-अमोस ज़ीबर्ग द्वारा-

जैसे-जैसे तकनीकी कंपनियां नवीनतम कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई) मॉडल चलाने वाले सर्वरों के लिए अधिक डेटा सेंटर बनाने की दौड़ में हैं, इन सुविधाओं में बिजली की खपत आसमान छू रही है। लेकिन इस बिजली का अधिकांश हिस्सा कंप्यूटिंग के लिए उपयोग नहीं होता, बल्कि यह सबसे सामान्य रूप में बर्बाद हो जाता है: गर्मी के रूप में। आधुनिक चिप में मौजूद सैकड़ों अरबों ट्रांजिस्टरों से यह गर्मी निकलती है।

डायमंड फाउंड्री के इलेक्ट्रिकल इंजीनियर और उद्यमी आर. मार्टिन रोशिसेन ने कहा, “चिप्स का गंदा रहस्य यह है कि आधे से अधिक ऊर्जा ट्रांजिस्टर स्तर पर रिसाव धारा के रूप में बर्बाद हो जाती है।” यह गर्मी न केवल ऊर्जा की बर्बादी है, बल्कि चिप की आयु को कम करती है और इसकी दक्षता को प्रभावित करती है, जिससे और अधिक गर्मी उत्पन्न होती है। इसलिए, डेटा सेंटरों में सर्वरों का तापमान नियंत्रित रखना एक महत्वपूर्ण कार्य है।

हीरे का चमत्कार: गर्मी हटाने में सबसे प्रभावी रोशिसेन उन कई इंजीनियरों में से एक हैं, जो चिप्स को ठंडा रखने के लिए उनमें छोटे-छोटे कृत्रिम हीरे जड़ने के तरीके विकसित कर रहे हैं। हीरा न केवल सबसे कठोर पदार्थ है, बल्कि यह गर्मी को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाने में भी असाधारण रूप से कुशल है। ब्रिस्टल यूनिवर्सिटी के भौतिक रसायनशास्त्री प्रो. पॉल मे ने कहा, “ज्यादातर लोग नहीं जानते कि हीरे में किसी भी पदार्थ की तुलना में सबसे अच्छी ताप-चालकता होती है।” उन्होंने बताया कि हीरा तांबे की तुलना में कई गुना तेजी से गर्मी संचालित करता है, जो आमतौर पर चिप्स के लिए हीट सिंक में उपयोग होता है।

हीरे की उच्च ताप-चालकता इसकी मजबूती का कारण है: प्रत्येक कार्बन परमाणु चार पड़ोसी परमाणुओं से मजबूती से जुड़ा होता है, जिसमें कोई कमजोर कड़ी नहीं होती। ये मजबूत बंधन क्रिस्टल के माध्यम से गर्मी को स्थानांतरित करने वाली कंपनों को कुशलतापूर्वक संचालित करते हैं। प्रो. मे ने कहा, “हाई-एंड इलेक्ट्रॉनिक्स में पहले से ही हीरे के हीट-स्प्रेडर का उपयोग हो रहा है। कुछ वर्षों में, आपके घर के पीसी या मोबाइल फोन का प्रोसेसर भी शायद हीरे के हीट-स्प्रेडर से जुड़ा होगा।”

डायमंड फाउंड्री की तकनीक रोशिसेन की कंपनी, डायमंड फाउंड्री, सिलिकॉन वेफर्स के पीछे गर्मी को कम करने वाली पतली हीरे की परत बनाने और जोड़ने के तरीकों पर काम कर रही है। इस दृष्टिकोण का एक प्रमुख लाभ यह है कि इसकी पतली हीरे की परतें एकल क्रिस्टल से बनती हैं, जो कई क्रिस्टलों की तुलना में गर्मी को बेहतर ढंग से नष्ट करती हैं। हालांकि, ऐसी पतली परतें बनाना कठिन और महंगा है। कंपनी कार्बन से भरपूर गर्म गैस (प्लाज्मा) बनाकर और इसे सटीक कॉन्फिगरेशन में कार्बन परमाणुओं को जमा करने के लिए प्रेरित करके हीरे का निर्माण करती है। कंपनी के अनुसार, एक महत्वपूर्ण कदम यह है कि प्रत्येक हीरे को इस तरह क्रिस्टलीकृत करना शुरू किया जाता है जैसे कि वह पहले से मौजूद पूरी तरह व्यवस्थित हीरे की परत पर बढ़ रहा हो।

कंपनी की वेबसाइट के अनुसार, बिना इस निर्देश के आगे बढ़ना “ऐसा है जैसे कई लोग एक कमरे के अलग-अलग सिरों से बिना टेम्पलेट के फर्श पर टाइल्स लगाने की कोशिश करें: वे बीच में मिलेंगे, लेकिन एक एकल, एकीकृत क्रिस्टल में फिट नहीं होंगे।” चार इंच चौड़े हीरे के डिस्क बनाने के बाद, कंपनी पेटेंट तकनीकों का उपयोग करके हीरे को इतना चिकना करती है कि पूरी सतह पर एक परमाणु से अधिक का कोई दोष नहीं रहता। इसके बाद ग्राहक इस सपाट हीरे की वेफर को अपने सिलिकॉन-आधारित चिप्स के नीचे जोड़ सकते हैं।

रोशिसेन ने कहा, “हीरे की परतें चिप के गर्म स्थानों को पूरी तरह खत्म कर देती हैं।” एमआईटी की मैकेनिकल इंजीनियर एवलिन वांग ने कहा कि यह दृष्टिकोण थर्मल प्रतिरोध को नाटकीय रूप से कम कर सकता है, लेकिन यह तकनीक अभी व्यावसायिक रूप से सिद्ध नहीं हुई है।

एलिमेंट सिक्स और नई सामग्री डी बीयर्स के स्वामित्व वाली कंपनी एलिमेंट सिक्स लंबे समय से औद्योगिक उपयोग और शक्तिशाली रेडियो-संचार उपकरणों, जैसे संचार उपग्रहों में उपयोग होने वाली चिप्स को ठंडा करने के लिए हीरे बनाती रही है। अब यह अपने हीरों को कंप्यूटर चिप्स को ठंडा करने के लिए विपणन कर रही है। बिजनेस डेवलपमेंट हेड ब्रूस बोलिगर ने कहा, “अगली पीढ़ी के एआई और हाई-परफॉर्मेंस कंप्यूटिंग उपकरणों की थर्मल मांगें उन्नत शीतलन समाधानों में नई रुचि पैदा कर रही हैं।”

जनवरी में, कंपनी ने हीरे और तांबे के मिश्रण से बनी एक नई सामग्री की घोषणा की, जो तांबे से बेहतर गर्मी संचालित करती है और शुद्ध हीरे से सस्ती है। बोलिगर ने कहा, “कॉपर-डायमंड कम्पोजिट शक्तिशाली नई चिप्स के लिए एक इष्टतम थर्मल प्रबंधन समाधान प्रदान करता है,” जिससे चिप्स तेजी से चल सकती हैं, उनकी आयु बढ़ सकती है और डेटा सेंटरों की शीतलन लागत कम हो सकती है।

नई तरह की चिप्स के लिए हीरे का उपयोग स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी की इलेक्ट्रिकल इंजीनियर स्रबंती चौधरी हीरे का उपयोग करके एक नई, अधिक शक्तिशाली कंप्यूटर चिप विकसित करने की दिशा में काम कर रही हैं। ऐतिहासिक रूप से, चिप्स की गति बढ़ाने का मुख्य तरीका ट्रांजिस्टरों को छोटा करना और उन्हें सिलिकॉन वेफर पर अधिक संख्या में एक साथ रखना था। लेकिन चिप निर्माता अब ट्रांजिस्टरों को छोटा करने की भौतिक सीमाओं का सामना कर रहे हैं। शोधकर्ताओं ने ट्रांजिस्टरों को एक के ऊपर एक परतों में रखकर इस समस्या को हल करने की कोशिश की, लेकिन कई परतें और अधिक गर्मी पैदा करती हैं।

चौधरी का समूह कई क्रिस्टलों से बनी हीरे की परतों का उपयोग करके गर्मी को हटाने की कोशिश कर रहा है, जो एकल क्रिस्टलों की तुलना में बनाना आसान है। लेकिन उन्हें चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है। आमतौर पर पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे की परतों में क्रिस्टल ऊर्ध्वाधर दिशा में होते हैं, जो चिप्स में आवश्यक क्षैतिज गर्मी हस्तांतरण में उतने प्रभावी नहीं हैं। इसके अलावा, हीरे को आमतौर पर 1,300 डिग्री फारेनहाइट से अधिक तापमान पर उगाया जाता है, जो सिलिकॉन के लिए बहुत गर्म है। कम तापमान पर सिलिकॉन पर हीरे को जमा करने की कोशिश में चौधरी के समूह को क्रिस्टल बनाने में कठिनाई हुई।

यह शोध अमेरिकी रक्षा विभाग की शोध एजेंसी डीएआरपीए द्वारा आंशिक रूप से वित्त पोषित है। जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के मैकेनिकल इंजीनियर और डीएआरपीए के प्रोग्राम मैनेजर योगेंद्र जोशी ने कहा, “इस कम-तापमान तकनीक को अन्य गर्मी हटाने के दृष्टिकोणों के साथ जोड़ने से ऐसी कंप्यूटिंग क्षमताएं अनलॉक हो सकती हैं जो वर्तमान में संभव नहीं हैं।”

चौधरी ने कहा कि वह और अन्य शोधकर्ता एक ऐसी चुनौती से निपट रहे हैं जो पुरानी और नई दोनों है। “गर्मी की समस्या पहले से थी, लेकिन अब एआई के साथ यह तेजी से बढ़ रही है, जैसे हॉकी स्टिक की तरह। मैंने कभी इतनी जल्दी इतनी महत्वपूर्ण चीज नहीं देखी।”