Ouro esquenta demais? Diamante se torna nova aposta para resfriar os chips de IA; entenda
Com as empresas de tecnologia correndo para construir mais data centers com servidores capazes de executar os modelos de inteligência artificial mais recentes, o consumo de eletricidade dessas instalações está disparando. Mas a maior parte dessa energia não é usada na computação — é desperdiçada de forma literal, transformada em calor que escapa de cada um dos bilhões de transistores de um chip moderno.
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“O segredo sujo dos chips é que mais da metade de toda a energia é perdida como corrente de fuga no nível do transistor”, explica R. Martin Roscheisen, engenheiro elétrico e empreendedor da Diamond Foundry, empresa do sul de São Francisco que fabrica diamantes especializados para uso em eletrônicos.
Esse calor representa um grande desperdício energético, reduz a vida útil dos chips e os torna menos eficientes — o que, paradoxalmente, gera ainda mais calor. Por isso, uma das tarefas críticas em data centers é manter os servidores refrigerados o suficiente para operar sem falhas.
Diamantes no coração da tecnologia
Roscheisen está entre os engenheiros que buscam incorporar minúsculos fragmentos de diamante sintético nos chips para resfriá-los. O diamante, além de ser o material mais duro conhecido, é excepcionalmente eficiente na transferência de calor.
“A maioria das pessoas não sabe que o diamante tem as melhores propriedades de condução térmica entre todos os materiais”, afirma Paul May, físico-químico da Universidade de Bristol, na Inglaterra. Segundo ele, o diamante conduz calor várias vezes mais rápido do que o cobre — material comumente usado em dissipadores térmicos.
Essa condutividade se deve à estrutura atômica do diamante: cada átomo de carbono está fortemente ligado a quatro vizinhos, sem elos fracos em nenhuma direção. Essas ligações robustas transportam as vibrações que movem o calor de forma eficiente através do cristal.
“Já é possível comprar eletrônicos de última geração que utilizam dissipadores de calor de diamante”, diz May. “Em poucos anos, até o processador do seu computador ou celular provavelmente terá um dissipador desse tipo.”
A corrida pelo chip mais frio
Nos últimos anos, a empresa de Roscheisen vem desenvolvendo uma fina camada de diamante dissipador de calor que pode ser fixada na parte traseira das pastilhas de silício onde os chips são construídos. Uma vantagem dessa abordagem é que essas camadas são feitas de monocristais, mais eficientes na dissipação térmica do que matrizes de cristais. Mas também são mais difíceis — e caras — de produzir.
A Diamond Foundry cria seus diamantes a partir de um gás rico em carbono, aquecido até se tornar plasma, induzindo os átomos de carbono a se depositarem na configuração correta. O segredo está em fazer com que cada novo diamante cristalize sobre uma camada já existente e perfeitamente ordenada. Sem essa base, explica a empresa, o processo seria “como várias pessoas tentando colocar ladrilhos no chão a partir de lados opostos da sala, encontrando-se no meio sem se encaixar”.
Depois de fabricados, os discos de diamante — com cerca de dez centímetros de largura — passam por um processo de alisamento patenteado, que garante que nenhum ponto da superfície varie mais do que um átomo. As pastilhas resultantes podem então ser acopladas à base dos chips de silício.
“As camadas de diamante eliminam completamente os pontos de superaquecimento dos chips”, afirma Roscheisen. “Eles simplesmente desaparecem.”
Evelyn Wang, engenheira mecânica do MIT, acredita que a técnica pode “reduzir drasticamente a resistência térmica”, embora ressalte que a tecnologia ainda não foi comprovada comercialmente.
O desafio do calor na era da IA
A Element Six, subsidiária da empresa de diamantes De Beers, há anos fabrica diamantes para uso industrial e para resfriar chips de dispositivos de radiocomunicação, como satélites. Agora, a companhia volta seus esforços para os chips de computador.
“As demandas térmicas da nova geração de IA e da computação de alto desempenho estão gerando um interesse renovado em soluções avançadas de resfriamento”, diz Bruce Bolliger, chefe de desenvolvimento de negócios da empresa.
Em janeiro, a Element Six anunciou um novo material híbrido de diamante e cobre, capaz de conduzir calor melhor que o cobre puro e com custo inferior ao diamante. Segundo Bolliger, o composto oferece “uma solução ideal de gerenciamento térmico” que pode aumentar a velocidade, prolongar a vida útil e reduzir os custos de resfriamento de chips em data centers.
Durante décadas, a forma mais eficaz de aumentar a velocidade dos chips foi reduzir o tamanho dos transistores e compactá-los em uma pastilha de silício. Mas os fabricantes agora enfrentam limites físicos. Camadas sobrepostas de transistores produzem ainda mais calor — e é aí que o diamante pode fazer a diferença.
Pesquisadores, como o grupo da engenheira Dra. Chowdhury, têm tentado usar camadas de diamante policristalino, mais fáceis de fabricar, mas menos eficientes para dissipar calor horizontalmente — algo essencial, já que os chips são planos.
Outro obstáculo é a temperatura: o diamante costuma ser cultivado acima de 690°C, nível alto demais para o silício. Quando o grupo de Chowdhury tentou reduzir essa temperatura, os cristais não se formaram adequadamente. “Todo cristal que gosta de crescer em altas temperaturas apresenta problemas em baixas”, explica.
A pesquisa recebe apoio da DARPA, agência de inovação do Departamento de Defesa dos EUA. “Combinar essa tecnologia de baixa temperatura com outras estratégias de remoção de calor pode desbloquear capacidades computacionais hoje inviáveis”, afirma Yogendra Joshi, engenheiro do Instituto de Tecnologia da Geórgia e gerente de programa da DARPA.
Para a Dra. Chowdhury, o desafio é um velho conhecido que ganhou nova dimensão. “O problema do calor sempre existiu, mas com o avanço da IA ele explodiu. É como um taco de hóquei — vemos o gráfico subir rápido demais”, diz. “Nunca vi nada crescer em importância tão depressa.”
