La gestione termica dei componenti elettronici rappresenta una delle principali sfide nei moderni data center, sia per ragioni di efficienza operativa sia per questioni legate al consumo energetico e all’impatto ambientale. Per contribuire a risolvere questo problema, un progetto congiunto tra Maxwell Labs, i Sandia National Laboratories e l’Università del New Mexico sta sperimentando un sistema di raffreddamento basato sulla fotonica, concepito per raffreddare in modo mirato i chip elettronici.
Il problema energetico del raffreddamento nei data center
Attualmente, una parte significativa dell’energia utilizzata nei data center – tra il 30% e il 40% – è destinata esclusivamente al raffreddamento delle apparecchiature elettroniche. Questa esigenza si traduce in un consumo di risorse che, in alcune aree geografiche, comporta anche una forte domanda idrica, generando pressioni su sistemi locali già fragili. Il calore generato durante l’elaborazione dei dati deve essere dissipato per evitare surriscaldamenti e malfunzionamenti. I sistemi tradizionali, basati su raffreddamento ad aria o ad acqua, hanno raggiunto una soglia oltre la quale le soluzioni incrementali non garantiscono più miglioramenti significativi.
Una soluzione basata sulla luce: la “piastra a fotoni freddi”
Maxwell Labs propone un approccio alternativo, che si fonda sull’impiego mirato della luce laser. L’elemento chiave di questo sistema è una piastra fotonica sviluppata internamente, denominata “piastra a fotoni freddi”, costruita principalmente in arseniuro di gallio, un materiale semiconduttore noto per le sue proprietà ottiche.
Questa piastra è progettata per concentrare fasci laser su punti specifici del chip, dove si formano picchi termici localizzati. Le aree interessate sono estremamente ridotte, dell’ordine di alcune centinaia di micrometri, dimensioni paragonabili a un granello di polvere. L’obiettivo è quello di intervenire direttamente sui punti caldi interni ai componenti elettronici, riducendo la necessità di raffreddare l’intero dispositivo.
Produzione precisa mediante epitassia a fasci molecolari
Per realizzare gli strati funzionali della piastra, i ricercatori di Sandia utilizzano una tecnica di crescita chiamata epitassia a fasci molecolari (MBE, Molecular Beam Epitaxy). Questo processo avviene in un ambiente di vuoto ultra-spinto e consente di depositare strati di materiale con precisione atomica, usando sorgenti estremamente pure.
Il controllo ottenuto grazie alla MBE è tale da permettere la crescita di strati con spessori inferiori a una singola unità atomica, garantendo così le condizioni ottimali per l’interazione tra luce e materiale, indispensabili per l’effetto di raffreddamento fotonico desiderato.
Effetti attesi e impatti sulla progettazione dei chip
I primi modelli teorici suggeriscono che, grazie a questo metodo, si potrebbe raggiungere una temperatura operativa inferiore a quella ottenuta con i tradizionali sistemi ad acqua, aprendo la strada a una nuova generazione di architetture di processori meno vincolate dai limiti termici.
Secondo Maxwell Labs, il raffreddamento localizzato tramite luce potrebbe non solo migliorare l’efficienza energetica, ma anche permettere ai chip di funzionare a frequenze più elevate o in configurazioni finora non praticabili, ridisegnando le possibilità offerte dalla progettazione elettronica.
Collaborazione multidisciplinare e visione applicativa
Il progetto riunisce competenze in fisica dei semiconduttori, ottica, ingegneria dei materiali ed elettronica. Il CEO di Maxwell, Jacob Balma, ha sottolineato come la capacità della luce di gestire il calore a livello spaziale e con una risoluzione temporale ottica apra scenari ancora inesplorati nella progettazione dei sistemi informatici. Il CTO Alejandro Rodriguez ha inoltre evidenziato l’importanza della sinergia tra Maxwell e Sandia, definendo la collaborazione come un raro esempio di convergenza tra visione progettuale, capacità tecnica e volontà di affrontare sfide complesse in ambiti interdisciplinari.
Prospettive per l’informatica del futuro
Il raffreddamento laser, se ulteriormente validato e sviluppato, potrebbe diventare una tecnologia abilitante per la prossima generazione di data center ad alte prestazioni. Oltre a ridurre il carico energetico, offrirebbe nuove possibilità ai progettisti di chip, liberandoli da alcuni vincoli termici e introducendo criteri progettuali più flessibili. Questa trasformazione, ancora in fase di studio, potrebbe riflettersi su applicazioni avanzate di calcolo, intelligenza artificiale e infrastrutture cloud, contribuendo a una gestione più efficiente e sostenibile delle risorse informatiche.
