تقنية تبريد جديدة تواجه الطلب المتصاعد على الطاقة للذكاء الاصطناعي

تم تطوير تقنية تبريد جديدة من قبل مهندسين في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو يمكنها تحسين كفاءة الطاقة في مراكز البيانات بشكل كبير، وهي ضرورية لتطوير ونشر الذكاء الاصطناعي.

مراكز البيانات هي مرافق تحتضن البنية التحتية المطلوبة لتدريب ونشر نماذج الذكاء الاصطناعي. وتشمل ذلك بنى حوسبة، شبكات، وتخزين متقدمة بالإضافة إلى قدرات الطاقة والتبريد للتعامل مع الطلب الضخم لمعالجة البيانات في أحمال عمل الذكاء الاصطناعي.

في حين أن مراكز البيانات التقليدية تحتوي على العديد من المكونات نفسها مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، بما في ذلك الخوادم، أنظمة التخزين، ومعدات الشبكات، فإن قدرتها الحاسوبية تختلف بشكل كبير. ويرجع ذلك إلى المتطلبات الاستثنائية لأحمال عمل الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة، التي تتطلب وحدات معالجة رسومية عالية الأداء (GPUs).

ليس فقط أن العدد الهائل من وحدات الـGPU اللازمة لحالات استخدام الذكاء الاصطناعي يتطلب مساحة أكبر بكثير، بل إنها أيضاً تحتاج إلى قدرات متقدمة للطاقة والتبريد.

في الواقع، الاستخدام المتفجر للذكاء الاصطناعي وتوسعه المستمر أدى إلى ارتفاع الطلب على معالجة البيانات بشكل هائل.

من المتوقع أن تكون مراكز البيانات من بين أكبر مستهلكي الطاقة على مستوى العالم. وتشير التقديرات إلى أن استهلاك الطاقة لمراكز البيانات قد ينمو بنسبة تصل إلى 160٪ لتجاوز 1,000 تيراواط-ساعة (TWh)، مما يمثل 3٪ إلى 4٪ من استهلاك الكهرباء العالمي بحلول عام 2030.

يُعزى هذا الارتفاع إلى المتطلبات الحاسوبية المتزايدة للتطبيقات المتقدمة للذكاء الاصطناعي، مما يؤدي إلى توليد حرارة كبيرة تستدعي حلول تبريد فعّالة.

في الواقع، يذهب 40٪ من إجمالي استهلاك الطاقة لمركز البيانات فقط لتبريد الأجهزة الحاسوبية عالية الأداء، وبشكل خاص وحدات الـGPU والمسرعات.

هذه المكونات تولد حرارة أكبر بكثير من وحدات المعالجة المركزية التقليدية، خاصةً أثناء تدريب الذكاء الاصطناعي ومعالجة نماذج اللغة الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك، هناك زيادة كثافة القدرة الحاسوبية في خوادم الذكاء الاصطناعي الحديثة، مما يؤدي إلى تركيز حرارة أعلى، ويتطلب حلول تبريد أكثر كفاءة.

قالت ريثيكا توماس، محللة أولى للتقنيات المستدامة في ABI Research، إن “تكاليف التبريد هي تكلفة تشغيلية كبيرة يجب على المشغلين مواجهتها”، في تقريرها ‘Chilling Out: Cooling Systems for Data Centres’ الذي يدعو المشغلين إلى اعتماد استراتيجيات فعّالة للحفاظ على الأداء والاستقرار وعمر المعدات.

إذا استمر هذا الاتجاه، قد يتضاعف استهلاك الطاقة العالمي للتبريد أكثر من الضعف بحلول نهاية هذا العقد، مما يجعل من الضروري إيجاد حل لهذه المشكلة.

“تتطلب استراتيجيات التبريد الفعّالة نهجًا شاملًا غير مرتبط بتقنية معينة لتحسين كفاءة استخدام الطاقة (PUE)، وكفاءة استخدام المياه (WUE)، وإدارة الحرارة وتقليل تكاليف التشغيل.”

– توماس

الحرارة التي لا تشبع للذكاء الاصطناعي تحتاج إلى حلول تبريد أذكى

المشكلة هي أن طرق التبريد التقليدية القائمة على الهواء أصبحت غير كافية بشكل متزايد لإدارة أحمال الحرارة في الخوادم الحديثة. وتستهلك هذه الطرق بالفعل ما يصل إلى 45٪ من إجمالي طاقة مركز البيانات.

عندما يتعلق الأمر بأقصى تدفق حراري من شرائح الـCPU والـGPU المتقدمة، فهو حالياً أعلى من 50 واط/سم². تدفق الحرارة أو التدفق الحراري هو ببساطة معدل نقل الطاقة من مكان إلى آخر على شكل حرارة.

على سبيل المثال، Hopper من NVIDIA، وهو مفضل للذكاء الاصطناعي ومعمارية ميكروية للـGPU صُممت خصيصًا لمراكز البيانات لتسريع تطبيقات الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء (HPC)، لديها قدرة تصميم حراري (TDP) تبلغ 700 واط على شريحة بحجم 814 مم² (86 واط/سم² تدفق حراري) لتطبيقات الذكاء الاصطناعي.

يُعد Hopper خليفة NVIDIA لمعمارية Ampere ومبني بأكثر من 80 مليار ترانزستور باستخدام عملية TSMC 4N.

ثم هناك تصغير حجم الترانزستورات، مما قد يؤدي إلى زيادة كثافة الترانزستورات بحوالي عشرة أضعاف في عقدة 1 نانومتر بحلول عام 2030. وهذا قد ينتج تدفق حراري يزيد عن 200 واط/سم²، وهو مستوى لا يمكن إزالته بفعالية وتكلفة معقولة باستخدام التبريد بالهواء. وبالتالي، يخلق ذلك حاجة للتبريد السائل.

تقنيات التبريد السائل ليست جديدة. لقد اعتمدتها الصناعة بالفعل لأنظمتها من الجيل التالي لتحسين إدارة الحرارة وكفاءة الطاقة.

في الواقع، تنقل هذه الطريقة الحرارة بعيدًا عن الخوادم بشكل أكثر فعالية من الأنظمة القائمة على الهواء، مما يقلل بدوره من تكاليف التبريد والهدر في الطاقة.

تشمل تقنيات التبريد السائل المتقدمة ألواح تبريد ذات القنوات الدقيقة والتبريد بالغمر باستخدام سوائل عازلة. ومع ذلك، فإن تقنيات التبريد التقليدية، مثل نقل الحرارة في مرحلة واحدة أو الغليان، عادةً ما تقتصر على تدفقات حرارية في نطاق 100 واط/سم².

إذن ما نحتاجه هو استراتيجيات تبديد حرارة عالية الأداء. يجب أن تكون سلبية، خاصةً لأنها لا تتطلب طاقة إضافية. وعلى الرغم من رغبتنا فيها، لا تزال هذه الاستراتيجيات صعبة التحقيق.

ثم هناك حقيقة أن التبريد مهم ليس فقط لأجهزة الـCPU والـGPU المستخدمة في الحوسبة والذكاء الاصطناعي، بل أيضًا للإلكترونيات القوية بما في ذلك شرائح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، وترددات الراديو عالية الطاقة (RF)، وترانزستورات غاليوم نيتريد (GaN) ذات حركة الإلكترونات العالية (HEMTs)، ومضخات الليزر.

العديد من هذه الإلكترونيات لديها تبديد طاقة يزيد عن 100 واط/سم². هنا، يقدم نقل الحرارة بالتبخر تقنية واعدة لتبريد الإلكترونيات عالية الطاقة، مع عدة مزايا هامة مقارنة بطرق التبريد التقليدية.

مقارنةً بأنظمة التبريد ذات المرحلة الواحدة، يسمح الحرارة الكامنة الكبيرة لتغيير الحالة من سائل إلى بخار بإزالة الحرارة بكفاءة مع توفير استقرار أفضل وعدم وجود هستيريزي (اعتماد حالة النظام على تاريخها). كما أن متطلبات طاقة الضخ تقل عند استخدام تدفق كابيلاري سالب.

توفر الأنظمة القائمة على التبخر آلية نقل حرارة فعّالة وأكثر تحكمًا، خاصةً للتطبيقات عالية الطاقة، على عكس الغليان.

في ظل أهمية إدارة الحرارة ذات الكفاءة الطاقية لمراكز البيانات، يمثل التبخر الرقيق المدفوع بالكابيلاري في الأغشية ذات المسام الصغيرة جدًا نهجًا واعدًا لتبديد تدفقات حرارية عالية.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للذكاء الاصطناعي المساعدة في مراقبة الطلب المتزايد على الطاقة في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.

تقنية تبريد جديدة للحد من الطلب المتزايد على الطاقة

مع الحاجة إلى استراتيجيات تبريد متقدمة للحد من الاتجاه المتصاعد لاستهلاك الطاقة في تبريد مراكز البيانات، وتقليل التكاليف التشغيلية، ودعم أهداف خفض الكربون، قام المهندسون بتطوير تقنية تبريد تبخيري جديدة لمراكز البيانات والإلكترونيات عالية الطاقة.

بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم، تقدم هذه التقنية الجديدة بديلاً واعدًا لأنظمة التبريد التقليدية، مثل المراوح، مضخات السائل، ومشتتات الحرارة، كما هو مفصل¹ في مجلة Joule. يمكنها أيضًا تقليل استهلاك المياه للعديد من أنظمة التبريد الحالية.

تتميز التقنية الجديدة بغشاء ألياف مصمم خصيصًا يزيل الحرارة بشكل سلبي عبر التبخر. الغشاء منخفض الترشيح المستخدم هنا يتضمن شبكة من المسام الصغيرة المتصلة التي تستخدم الفعل الكابيلاري لسحب سائل التبريد عبر سطحه.

مع تبخر السائل، تُزال الحرارة بفعالية من الإلكترونيات الموجودة تحته دون الحاجة إلى أي طاقة إضافية. يُوضع الغشاء فوق القنوات الدقيقة فوق الإلكترونيات، حيث يسحب السائل المتدفق عبر القنوات ويزيل الحرارة بكفاءة.

According to the study’s co-leader, Renkun Chen, professor in the Department of Mechanical and Aerospace Engineering at the UC San Diego Jacobs School of Engineering:

“مقارنةً بالتبريد التقليدي بالهواء أو السائل، يمكن للتبخر تبديد تدفق حراري أعلى مع استخدام طاقة أقل.” 

التبخر للتبريد ليس جديدًا، حيث تُستخدم العديد من التطبيقات مثل المبخرات في مكيفات الهواء وأنابيب الحرارة في الحواسيب المحمولة حاليًا. لكن تطبيق الطريقة على الإلكترونيات عالية الطاقة كان تحديًا.

كانت محاولات استخدام الأغشية المسامية غير ناجحة. تتمتع الأغشية المسامية بمساحات سطحية عالية تجعلها مثالية للتبخر، لكن الجهود السابقة إما كانت تحتوي على مسام صغيرة جدًا تتسبب في الانسداد، أو مسام كبيرة جدًا تُحدث غليانًا غير مرغوب فيه، مما أدى إلى الفشل.

قال تشن: “هنا نستخدم أغشية ألياف مسامية ذات مسام متصلة بالحجم المناسب”. بهذه الطريقة، تمكن المهندسون من تحقيق تبخر فعال دون تلك العيوب.

عند اختبار التقنية عبر تدفقات حرارية مختلفة، وجد الباحثون أن غشاؤهم يعمل ويحقق أداءً قياسيًا.

تمكن الغشاء من التعامل مع تدفقات حرارية تتجاوز 800 واط لكل سنتيمتر مربع (W/cm²). وهذا أحد أعلى المستويات المسجلة لهذا النوع من أنظمة التبريد. وليس ذلك فحسب، بل أثبت استقراره على مدار عدة ساعات من التشغيل، مما يبرز نهجًا قابلًا للتوسع وفعّالًا في استهلاك الطاقة لتبريد الإلكترونيات من الجيل التالي.

“يُظهر هذا النجاح إمكانات إعادة تصور المواد لتطبيقات جديدة تمامًا.”

– تشن

أوضح أن الألياف في الأصل صُممت للتصفية. “لم يسبق لأحد أن استكشف استخدامها في التبخر”، أضاف. ومع ذلك، أدرك الفريق الخصائص الهيكلية المميزة، وهي المسام المتصلة بالحجم المناسب، التي جعلتها مثالية للتبريد التبخيري الفعال. صرح تشن:

“ما فاجأنا هو أنه، مع التعزيز الميكانيكي المناسب، لم يتحملوا فقط تدفق الحرارة العالي، بل أدوا أداءً ممتازًا تحت ذلك.”

إلى جانب أدائها الحراري، فإن أغشية الألياف فعّالة من حيث التكلفة، قابلة للتوسع في التصنيع، وتظهر مرونة ميكانيكية وقوة، مما يبرز إمكاناتها في التبخر الرقيق ويشير إلى فائدتها في دمجها في أنظمة تبريد إلكترونية ذات تدفق حراري عالي، وبالتالي تقديم حل قوي لإدارة الحرارة للجيل التالي.

النتائج واعدة بالتأكيد، لكن التقنية لا تزال تعمل بأقل بكثير من الحد النظري لها. يعمل الفريق الآن على تحسين الغشاء وتحسين أدائه.

في المرحلة التالية، سيدمج الفريق تقنيتهم في نماذج أولية من ألواح التبريد، وهي المكونات المسطحة التي تُثبت على وحدات الـGPU والـCPU لتبديد الحرارة. أما بالنسبة لتسويق التقنية، فسيطلق الفريق شركة ناشئة لتقديمها إلى السوق. كما قدمت هيئة حكام جامعة كاليفورنيا براءة اختراع تتعلق بهذا العمل.

انقر هنا لتعرف عن الشريحة الجديدة التي ستقلل استهلاك الطاقة لنماذج اللغة الكبيرة بنسبة 50٪.

ابتكارات تبريد الجيل التالي

نظرًا للاستخدام الواسع للذكاء الاصطناعي، والذي من المتوقع أن يساهم بتريليونات الدولارات في الاقتصاد العالمي، هناك تركيز متزايد الآن على تقليل استهلاك الطاقة من خلال وسائل مختلفة.

في مايو 2025، أصدرت شركة التكنولوجيا العملاقة مايكروسوفت ورقة بحثية تُقَيِّم استهلاك الطاقة والمياه، بالإضافة إلى انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG) الناتجة عن تقنيات تبريد مراكز البيانات عبر دورة حياتها بالكامل.

تقييم دورة الحياة هذا لا يقيِّم فقط الموارد المستهلكة أثناء تشغيل مراكز البيانات، بل يغوص أيضًا في الموارد المطلوبة لإنتاج جميع الآلات الافتراضية، الخوادم، الشرائح، أنظمة التبريد، وغيرها من المعدات. وفقًا لمايكروسوفت، يمكن لهذه البيانات مساعدة الشركات على تصميم مراكز بيانات تستخدم ماءً وطاقة وكربونًا أقل.

According to the study lead Husam Alissa, who is a director of systems technology in Cloud Operations and Innovation at Microsoft:

“نحن ندعو في هذه الورقة إلى استخدام أدوات تقييم دورة الحياة لتوجيه قرارات الهندسة مبكرًا، وكذلك مشاركة الأداة مع الصناعة لتسهيل اعتمادها.”

وبينما يتحدث عن هدف الدراسة، قال عليسا:

“ما نحاول القيام به هنا هو إخبار الصناعة، ‘إليكم كيفية بناء تقييم دورة حياة شامل يأخذ التبريد في الاعتبار. وهذه أداة يمكنكم تخصيصها وفقًا لاحتياجاتكم المحددة ثم اتخاذ القرار.’”

استغرقت دراستهم فعليًا عامين، وخلال ذلك قيموا أربع تقنيات تبريد، وهي ألواح التبريد، التبريد بالهواء، الغمر في مرحلة واحدة، والغمر في مرحلتين للخوادم.

يتوقع الفريق أن تكون الأساليب السائلة أفضل من التبريد بالهواء، وهو المعيار الصناعي، من حيث انبعاثات الكربون، بالإضافة إلى استهلاك الطاقة والماء.

بينما قامت مايكروسوفت بتركيب ألواح تبريد في مراكز بياناتها، فإنها تستكشف أيضًا تقنيات تبريد أخرى، مثل تقنية تبريد ألواح التبريد على مستوى الرف التي تستخدم وحدات مبادل حراري. كما تطور الشركة التقنية الجديدة التي تقول إنها يمكن أن تقلل استهلاك الماء بنسبة 30٪ إلى 50٪ وتخفض طلب الطاقة وانبعاثات الغازات الدفيئة بنحو 15٪ عبر دورة حياة مراكز البيانات بالكامل.

مؤخرًا، قامت مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أيضًا بتطوير شريحة خاصة لتقييم خيارات التبريد لتكدسات الشرائح المعبأة. تُبدد هذه الشريحة الفريدة طاقة عالية جدًا لتوليد حرارة عبر طبقة السيليكون وفي نقاط ساخنة محددة. ثم تُطبق تقنيات التبريد على التكدس، حيث تقيس الشريحة تغيرات درجة الحرارة.

عند وضعها في تكدس، ستمكن الباحثين من فحص كيفية انتقال الحرارة عبر طبقات التكدس ثم قياس التقدم للحفاظ على برودتها.

“إذا كان لديك شريحة واحدة فقط، يمكنك تبريدها من الأعلى أو الأسفل. ولكن إذا بدأت في تكديس عدة شرائح فوق بعضها البعض، لا تجد الحرارة مخرجًا. لا توجد طرق تبريد اليوم تسمح للصناعة بتكديس عدة من هذه الشرائح عالية الأداء.”

– قائد الدراسة، تشينسون تشن من مجموعة المواد المتقدمة والأنظمة الدقيقة بالمختبر

الاستثمار في قطاع الذكاء الاصطناعي

قائد عالمي في وحدات معالجة الرسومات الموجهة للذكاء الاصطناعي، Nvidia (NVDA ) هي شركة بنية تحتية حوسبة شاملة تعمل عبر قطاعات الحوسبة والشبكات والرسومات.

قامت Nvidia بشراكة مع اللاعبين الرئيسيين في مجال أشباه الموصلات، تصنيع الخوادم، تخزين البيانات، وبرمجيات المؤسسات لتسريع نشر تطبيقات الذكاء الاصطناعي. كما تشارك الشركة بشكل كبير في تمويل الشركات الناشئة، خاصةً شركات الذكاء الاصطناعي مثل OpenAI، xAI، Inflection، Mistral AI، Perplexity، Lambda، Scale AI، وغيرها للمساعدة في تقدم القطاع.

NVIDIA Corporation (NVDA )

عندما يتعلق الأمر بأداء سوق Nvidia، فهي واحدة من أفضل الأسهم أداءً، حيث سجلت ارتفاعًا مذهلاً بنسبة 1,350٪ خلال السنوات الخمس الماضية. وحتى تاريخ كتابة هذا المقال، تُتداول أسهم الشركة العالمية الثانية من حيث القيمة السوقية التي تبلغ 3.5 تريليون دولار بأكثر من 145 دولارًا، بارتفاع 8.33٪ منذ بداية العام وبنسبة 3٪ فقط من ذروتها التي بلغت تقريبًا 150 دولارًا في نوفمبر 2024.

لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) تبلغ 3.10، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 46.86، وعائد على حقوق الملكية (ROE) (TTM) 115.46٪، مع تقديم عائد توزيعات بنسبة 0.03٪.

في مايو 2025، أعلنت Nvidia عن نتائجها المالية للربع الأول من السنة المالية 2026، حيث بلغ إيرادها 44.1 مليار دولار.

في مجال مراكز البيانات، كان إيراد الشركة 39.1 مليار دولار. بالنسبة لهذا القطاع، أعلنت Nvidia عن بناء مصانع في الولايات المتحدة، وأطلقت Blackwell Ultra وDynamo لتوسيع نماذج التفكير الذكي، وتخطط لتسريع انتقال بنية تكنولوجيا المعلومات إلى مصانع الذكاء الاصطناعي المؤسسية باستخدام خوادم RTX PRO™. ومن بين عدة مبادرات أخرى، تم تقديم منصة NVIDIA AI Data كتصميم مرجعي قابل للتخصيص لأعباء عمل استدلال الذكاء الاصطناعي.

تتضمن تطورًا كبيرًا آخر استخدام 100,000 شريحة Nvidia لبناء مركز بيانات ذكاء اصطناعي جديد في الإمارات العربية المتحدة، والذي سيبدأ تشغيله العام المقبل.

في خبر مثير آخر، يُقال إن Nvidia تعمل مع شركة Foxconn التايوانية لنشر روبوتات بشرية في مصنع Foxconn الجديد الذي سيُنتج خوادم Nvidia للذكاء الاصطناعي. من المتوقع إكمال ذلك في الأشهر القليلة القادمة، وسيشكل ذلك علامة فارقة في اعتماد الروبوتات الشبيهة بالبشر لتحويل عمليات التصنيع.

أحدث أخبار وتطورات سهم NVIDIA Corporation (NVDA)

أفكار نهائية حول ابتكار تبريد الذكاء الاصطناعي

مع استمرار الذكاء الاصطناعي في إعادة تشكيل الصناعات، فإن احتياجاته الحاسوبية الضخمة تدفع إلى استهلاك طاقة غير مسبوق وتوليد حرارة هائلة. هنا، يمثل البحث الواعد في التبخر الرقيق المدفوع بالكابيلاري خطوة حاسمة نحو بناء بنية تحتية للذكاء الاصطناعي أكثر كفاءة في الطاقة، مستدامة، وقابلة للتوسع في المستقبل.

مع تدفق حراري نقدي نظري عالٍ (CHF)، يقدم التبخر الرقيق المدفوع بالكابيلاري في الأغشية النانوية مسامية استراتيجية واعدة لإدارة الحرارة للأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة. وجدت الدراسة الأخيرة أن أغشية الألياف ذات المسام المفتوحة المتصلة تعمل كمبخرات فعّالة، تسهل نقل السائل بسرعة وبشكل موحد عبر مسارات متعددة مع تقليل الانسداد وضمان تبلل متساوٍ عبر السطح.

من خلال إظهار الاستقرار على المدى الطويل، تقدم مبخرات الغشاء الأليافي ثلاثية الأبعاد حلاً واعدًا للغاية لإدارة الحرارة المتقدمة، موفرة حلول تبريد فعّالة لتلبية متطلبات الأنظمة الإلكترونية الحديثة.

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بالاستثمار في الذكاء الاصطناعي.

الدراسات المشار إليها:

1. Feng, T.; Pei, Y.; Zhang, H.; Asai, B.; Dong, G.; Joshi, A.; Saha, A.; Cai, S.; Chen, R. High-Flux and Stable Thin-Film Evaporation from Fiber Membranes with Interconnected Pores. Joule 2025, 9 (6), 101975. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101975