Un team di ricerca del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), guidato dal professor Kim Sung-jin del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e dal professor Lee Ik-jin del Dipartimento di AX, ha sviluppato una nuova architettura di raffreddamento a liquido destinata ai semiconduttori ad alte prestazioni. La tecnologia è stata progettata per superare le limitazioni delle attuali soluzioni basate su Manifold Microchannel (MMC), una delle tecniche più avanzate oggi utilizzate per la dissipazione termica nei chip destinati ai carichi computazionali più intensivi.
L’iniziativa nasce da una problematica che sta diventando sempre più critica nell’industria dei semiconduttori. L’aumento della densità di calcolo richiesto dai sistemi di intelligenza artificiale, dalle GPU per il training dei modelli e dagli acceleratori dedicati ai data center sta portando a livelli di generazione di calore che rendono sempre più difficile mantenere temperature operative accettabili. In molti casi, la capacità di dissipare il calore rappresenta ormai un vincolo progettuale tanto importante quanto le prestazioni computazionali del chip stesso.
Le architetture Manifold Microchannel sono state sviluppate proprio per affrontare questo problema. Questi sistemi utilizzano una rete di microcanali, ovvero condotti microscopici più sottili di un capello umano, attraverso i quali viene fatto circolare il liquido refrigerante. Rispetto alle soluzioni tradizionali, i microcanali consentono di distribuire il fluido direttamente nelle zone più calde del chip, aumentando significativamente l’efficienza dello scambio termico.
Tuttavia, i ricercatori hanno individuato una limitazione strutturale nelle implementazioni esistenti. Durante il funzionamento, il liquido di raffreddamento tende infatti a distribuirsi in modo non uniforme, concentrandosi maggiormente in alcuni canali e riducendo l’efficacia del raffreddamento in altre aree del dispositivo. Questa distribuzione irregolare può generare differenze di temperatura all’interno del chip e limitare le prestazioni complessive del sistema di dissipazione.
Per risolvere il problema, il team del KAIST ha sviluppato una nuova configurazione geometrica progettata per garantire una distribuzione uniforme del fluido refrigerante lungo tutti i microcanali. L’ottimizzazione della struttura è stata accompagnata da un’integrazione diretta dei canali di raffreddamento all’interno del chip di silicio stesso. Questa scelta riduce la distanza che il liquido deve percorrere per raggiungere le aree che generano più calore, diminuendo contemporaneamente le perdite di pressione e migliorando l’uniformità termica dell’intero dispositivo.
L’approccio adottato differisce da molte altre tecnologie avanzate di raffreddamento che richiedono materiali speciali o processi produttivi particolarmente complessi. Secondo il team di ricerca, il nuovo sistema utilizza esclusivamente acqua a temperatura ambiente come fluido refrigerante e non necessita di trattamenti nanotecnologici superficiali, materiali esotici o componenti basati sul diamante sintetico, elementi spesso impiegati nei sistemi di raffreddamento sperimentali più avanzati.
Per verificare concretamente le prestazioni, la tecnologia è stata realizzata direttamente su wafer di silicio e sottoposta a prove sperimentali. I risultati ottenuti hanno evidenziato un coefficiente di prestazione, o COP (Coefficient of Performance), pari a 106.000. Questo parametro rappresenta il rapporto tra la quantità di calore rimossa e l’energia necessaria per alimentare il sistema di raffreddamento. Un valore di questa entità indica che per ogni unità di energia consumata è possibile rimuovere una quantità di calore oltre centomila volte superiore.
Secondo i ricercatori, il risultato supera di oltre un ordine di grandezza il precedente record riportato nella letteratura scientifica internazionale. Oltre al valore assoluto raggiunto, ciò che rende particolarmente interessante il risultato è il fatto che l’efficienza sia stata ottenuta senza introdurre tecnologie produttive incompatibili con le linee di fabbricazione già esistenti nel settore dei semiconduttori.
Questa compatibilità rappresenta uno degli aspetti più rilevanti della ricerca. La possibilità di integrare il sistema nei processi produttivi attuali senza richiedere nuovi impianti o investimenti significativi potrebbe accelerare notevolmente l’adozione della tecnologia. Le aziende produttrici di semiconduttori potrebbero infatti implementare il nuovo approccio mantenendo gran parte delle infrastrutture già presenti nelle fabbriche.
Le applicazioni potenziali riguardano in particolare i processori destinati all’intelligenza artificiale. GPU e TPU utilizzate per l’addestramento e l’inferenza dei modelli generativi rappresentano oggi alcune delle sorgenti di calore più estreme nel settore dell’elettronica avanzata. Nei data center AI di nuova generazione, la gestione termica è diventata una delle principali sfide tecniche e uno dei fattori che influenzano maggiormente consumi energetici, densità di installazione e costi operativi.
La ricerca del KAIST suggerisce che una parte importante dell’evoluzione futura dell’intelligenza artificiale potrebbe dipendere non soltanto dall’aumento della potenza di calcolo, ma anche dalla capacità di controllare efficacemente il calore generato dai sistemi. Migliorando il raffreddamento direttamente all’interno del silicio, diventa infatti possibile aumentare densità computazionale, efficienza energetica e stabilità operativa senza modificare radicalmente l’architettura dei processori. In un settore in cui ogni nuova generazione di acceleratori AI richiede quantità crescenti di energia, tecnologie di dissipazione avanzata come quella sviluppata dal KAIST potrebbero diventare una componente strategica tanto importante quanto i chip stessi.