Frore Systems giới thiệu hệ thống tản nhiệt khí chủ động thể rắn AirJet cho thiết bị di động và hệ thống tản nhiệt chất lỏng LiquidJet cho trung tâm máy chủ.

Khi kỷ nguyên trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán hiệu năng cao (HPC) ngày càng bùng nổ, nhu cầu làm mát cho thiết bị ngày càng cao. Hậu định luật Moore, định luật Tao chỉ ra rằng việc tăng hiệu năng không chỉ phụ thuộc vào việc thu nhỏ kích thước bán dẫn, mà còn dựa vào cấu trúc xếp chồng 3D, tích hợp không đồng nhất và cả thiết kế chiplet. Do đó, mật độ nhiệt sinh ra trên mỗi đơn vị diện tích đang tăng rất nhanh, trở thành rào cản chính ảnh hưởng tới sức mạnh xử lý của toàn bộ hệ thống.

Đối với hệ thống hiện đại, hạ tầng tản nhiệt (các khối tản nhiệt nhôm - Al Thermal Stack) đóng vai trò quan trọng ngang hàng với hạ tầng tính toán và hạ tầng phần mềm. Các giải pháp làm mát thông dụng như quạt, tản nhiệt thụ động không còn phù hợp do nhiều hạn chế. Quạt với đặc tính chuyển động cơ học sẽ tạo tiếng ồn lớn, rung lắc, giới hạn áp suất tĩnh và gây bụi, có thể tác động tới tuổi thọ linh kiện. Trong khi đó tản nhiệt chất lỏng lại chưa đủ mạnh để làm mát những vị trí nóng tập trung, vốn có mức tiêu thụ năng lượng tới hàng ngàn watt.

Đối diện với thách thức này, Frore Systems - startup tại Thung lũng Silicon (mức định giá tới 1.64 tỷ USD) đã có giải pháp khắc phục hiệu quả. Nếu như AirJet nhắm tới các thiết bị di động thì LiquidJet dành cho trung tâm máy chủ. Lộ trình của hãng khá tham vọng với định luật Frore, cam kết tăng gấp đôi hiệu quả làm máy sau mỗi 2 năm mà giữ nguyên độ dày linh kiện.

AirJet - Tản nhiệt chủ động thể rắn

Là nền tảng làm mát chủ động thể rắn (solid-state active cooling) thương mại đầu tiên trên thế giới, AirJet không chứa bất kỳ thành phần chuyển động nào bên trong. Công nghệ tạo nên AirJet là sự kết hợp giữa nhiều ngành vật lý khác nhau, từ cộng hưởng cấu trúc, động lực học chất lưu cho tới âm học và điện học.

Động lực học áp điện và áp suất ngược

Cấu trúc bên trong của từng module AirJet là các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electromechanical Systems) dựa trên hiệu ứng áp điện (Piezoelectric). Hiệu ứng áp điện này cũng được áp dụng cho hệ thống kim phun mực trong các máy in Epson EcoTank. Khi có dòng điện chạy qua, các màng kim loại siêu mỏng bên trong AirJet sẽ phản ứng và dao động ở tần số siêu âm với biên độ ở mức vài chục micron. Dao động cực nhanh này biến màng kim loại thành hệ thống bơm siêu nhỏ, tạo ra lực hút mạnh để kéo luồng khí mát từ môi trường bên ngoài qua các khe lấy gió ở mặt trên AirJet.

Yếu tố tạo nên sức mạnh thực sự của thiết kế AirJet là khả năng sinh ra áp suất ngược (backpressure) cực lớn. Trong khi quạt laptop dòng cao cấp thường chỉ có thể tạo ra mức áp suất tĩnh rất khiêm tốn, AirJet tạo ra mức áp suất lên tới 1750 Pascals (Pa), tức là cao hơn gấp 10 lần so với quạt cơ học. Áp suất tĩnh cao giải quyết được nghịch lý lớn nhất trong thiết kế tản nhiệt: sức cản của hệ thống. Khi nhà sản xuất cố gắng tăng diện tích bề mặt tiếp xúc không khí bằng cách tăng mật độ lá tản nhiệt (fins), các lá tản nhiệt bị ép lại gần nhau hơn, dẫn tới sức cản hệ thống tăng cao. Theo tính toán, việc giảm một nửa khoảng cách giữa các lá tản nhiệt làm sức cản không khí tăng lên đến 700%. Quạt truyền thống không có đủ lực hút để kéo hoặc đẩy không khí đi qua các khe hẹp này, dẫn đến hiện tượng luồng khí bị tắc nghẽn. Ngược lại, mức áp suất 1750 Pa của AirJet dễ dàng hút luồng không khí đi xuyên qua các lớp lá tản nhiệt có mật độ cực kỳ cao, thậm chí xuyên qua các màng lọc chống nước và chống bụi (chuẩn IP53, IP54, IP68) mà không làm giảm lưu lượng gió.

Phun tia va đập

Trong các hệ thống làm mát bằng cách thổi khí truyền thống, không khí chạy song song với bề mặt tản nhiệt. Do lực ma sát nhớt (viscous friction), có 1 lớp không khí tĩnh và chuyển động rất chậm sẽ bám sát vào bề mặt kim loại, được gọi là lớp biên (boundary layer). Vì không khí là chất cách nhiệt tự nhiên, lớp biên tĩnh này cản trở nghiêm trọng quá trình truyền nhiệt từ kim loại sang luồng khí lưu thông bên ngoài.

Công nghệ trên AirJet loại bỏ hoàn toàn hạn chế này thông qua cơ chế phun tia va đập (jet impingement) - kỹ thuật vốn thường được áp dụng để làm mát các động cơ phản lực lớn. Jet impingement là phương pháp phun 1 dòng chất lưu (khí hoặc chất lỏng) qua vòi phun với vận tốc cao để va đập vuông góc hoặc xiên góc trực tiếp vào bề mặt vật thể. Đây là kỹ thuật giúp tạo ra tốc độ truyền nhiệt và truyền khối cực kỳ hiệu quả. Luồng không khí được hút vào bên trong AirJet sẽ bị nén và chuyển thành các luồng tia khí vận tốc cao. Các tia này đập thẳng đứng xuống bề mặt khối tản nhiệt nhiệt (heat spreader) bằng đồng ở phần đáy với vận tốc có thể đạt tới khoảng 200 km/h (124 mph). Quá trình dội tia liên tục này diễn ra hàng ngàn lần mỗi giây, xuyên phá lớp biên cách nhiệt, giúp không khí hấp thụ lượng nhiệt cực lớn từ bề mặt đồng. Sau khi bão hòa nhiệt năng, luồng khí nóng được định tuyến và đẩy ra ngoài qua khe thoát gió dọc theo cạnh module AirJet.

Tự cảm biến nhiệt và tự làm sạch

Thế hệ AirJet mới có thêm các năng lực tự động hóa thông minh nhằm giảm tải sự can thiệp từ mainboard của thiết bị. Nổi bật nhất là công nghệ Thermoception (tự cảm biến nhiệt), cho phép bản thân AirJet tự nhận biết được nhiệt độ môi trường xung quanh nó. Nhờ vậy, module AirJet có thể tự động điều chỉnh cường độ dao động màng siêu âm để tối ưu hóa công suất tản nhiệt, không cần chờ tín hiệu từ cảm biến nhiệt của hệ thống. Điều này cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị không được trang bị hệ thống cảm biến nhiệt độ phức tạp.

Bên cạnh đó, giải pháp tự làm sạch thông minh (Intelligent Self-Cleaning) giải quyết được vấn đề về bụi. Trong thời gian dài, bụi tích tụ sẽ làm nghẽn luồng lưu thông không khí, đây cũng là nguyên nhân chính khiến các thiết bị điện tử bị giảm hiệu năng do quá nóng. Công nghệ của Frore Systems cho phép module AirJet tự động đảo chiều luồng không khí theo các chu kỳ được lập trình sẵn. Lực đẩy mạnh sẽ thổi ngược bụi ra khỏi các lưới lọc, giữ cho thiết bị luôn trong trạng thái hoạt động tối ưu nhất.

Có mấy loại AirJet?

Theo định luật Frore, dòng sản phẩm AirJet đã có những đợt cải tiến để giữ nguyên kích thước vật lý (hoặc thậm chí mỏng hơn), đồng thời tăng cường hiệu quả tản nhiệt. Năm 2023, AirJet Mini và AirJet Pro ra đời. Mẫu AirJet Mini dày 2.8 mm, nặng 9 gram, có khả năng tản nhiệt tới 5.25 W. Thử nghiệm xài AirJet Mini với vi xử lý có bề mặt 85°C, AirJet Mini làm mát được 4.25 W nhiệt lượng, tạo ra độ ồn chỉ 21 dBA và tiêu thụ chỉ đúng 1 W điện. Lấy ví dụ để dễ hình dung, 1 laptop 13 inch dày 11 mm, tản nhiệt thụ động có giới hạn làm mát là 10 W nhiệt lượng; trong khi cũng là mẫu laptop 13 inch đó, trang bị 4 module AirJet Mini thì có thể chịu được nhiệt lượng tới 20 W, liên tục, độ ồn 27 dBA, tăng cường hiệu năng vi xử lý lên gấp đôi.

Phiên bản AirJet Pro có kích thước gấp đôi, công suất tản nhiệt 10.5 W và tiêu thụ 1.75 W điện năng. Cả AirJet Mini và AirJet Pro đều hoạt động rất yên lặng, độ ồn tương ứng 21 dBA và 24 dBA, tuy nhiên AirJet Pro hiện tại đã ngừng sản xuất. Dành cho các thiết bị mỏng hơn như máy tính bảng hay điện thoại gập, Frore Systems phát triển thêm AirJet Mini Slim, với độ dày giảm thêm 0.3 mm, chỉ còn 2.5 mm và nặng 8 gram, trong khi công suất tản nhiệt vẫn giữ nguyên 5.25 W và áp suất ngược 1750 Pa.

AirJet Mini Sport là phiên bản đặc biệt dành cho các thiết bị hoạt động ngoài trời, hay môi trường khắc nghiệt. Toàn bộ module AirJet Mini Sport nằm trong hộp cách ly (isolating capsule), đạt tiêu chuẩn chống nước và bụi IP68. Nhờ đó, phiên bản Sport có thể tiếp tục hoạt động bình thường ngay cả khi bị ngâm dưới nước ở độ sâu 1.5m trong 30 phút, hiệu năng làm mát tương đương phiên bản tiêu chuẩn. AirJet Mini Sport trước mắt chưa chính thức có mặt trên thị trường.

Tại COMPUTEX 2026, Frore Systems có trưng bày phiên bản mới - AirJet Mini G2. Nhà sản xuất tối ưu hóa các luồng động lực học bên trong cũng như cải tiến vật liệu dao động, tăng khả năng tản nhiệt tới 7.5 W - đúng với Frore's Law, tăng 50% hiệu năng so với thế hệ đầu tiên. Điểm ấn tượng là AirJet Mini G2 vẫn có kích thước nhỏ gọn như AirJet Mini, tăng cường tính tương thích khi người dùng có nhu cầu thay thế hay nâng cấp. AirJet Mini G2 có độ dày 2.65 mm, nặng chỉ 7 gram, độ ồn không thay đổi 21 dBA, tiêu thụ 1.2 W điện (tăng 0.2 W so với thế hệ trước). AirJet Mini và AirJet Mini G2 là 2 sản phẩm chủ đạo mà Frore Systems cung cấp hiện tại.

Giải pháp AirJet PAK cho Edge AI

Khi AI ngày càng len lỏi sâu vào đời sống và nhiều ứng dụng Edge AI xuất hiện, nhu cầu làm mát ngày càng cao hơn. Nếu như thiết bị tiêu dùng như laptop chỉ cần tăng hiệu năng lên cao để xử lý tác vụ trong khoảng thời gian ngắn, các hệ thống Edge AI như thị giác máy tính, robot tự hành hay quản lý giao thông thông minh... Những ứng dụng này chạy các mô hình suy luận AI liên tục 24/7, sinh nhiệt liên tục rất dễ gặp tình trạng hạ xung (thermal throttling) nếu quá nóng, nhất là với giải pháp tản nhiệt thụ động, ảnh hưởng lớn tới khả năng xử lý. Ngược lại nếu chọn làm mát chủ động bằng quạt, môi trường bụi bẩn và hơi ẩm cũng tác động xấu, làm hỏng hóc do hao mòn trục quay.

Để giải quyết vấn đề này, Frore Systems đóng gói nhiều module AirJet vào bên trong các hộp tản nhiệt độc lập, có khả năng plug-and-play. Đây chính là nền tảng AirJet PAK, có nhiều tùy chọn với tính tương thích cho nhiều ứng dụng và thiết bị khác nhau. Mỗi thiết bị AirJet PAK có 1 mạch điều khiển nội bộ (drive circuitry) và cụm nhiều module AirJet kết hợp, bên dưới có coldplate để tiếp xúc bề mặt cần làm mát. AirJet PAK được thiết kế để có thể ráp đè trực tiếp lên bề mặt của các SoMs (System-on-Modules), đơn giản hóa quá trình lắp đặt. Năng lượng cung cấp cho AirJet PAK được lấy trực tiếp từ mainboard của thiết bị chủ thông qua cáp Molex PicoBlade 4-pin chuẩn. PAK duy trì áp suất ngược 1750 Pa để hút khí từ môi trường ngoài thông qua các lớp lọc chống bụi (IP53 hoặc IP54) ở phần nắp của bộ khung, sau đó đẩy ra các khe thoát nhiệt ở cạnh bên.

AirJet PAK được phân loại dựa trên số lượng module AirJet trang bị bên trong, tương ứng với công suất giải nhiệt cần thiết cho từng chuẩn vi xử lý công nghiệp. Cơ bản nhất là AirJet PAK 1C (bên trong có 1 module AirJet), độ dày 5.8 mm tới 6.5 mm và nặng 16.5 gram. AirJet PAK 1C tiêu thụ 1.3 W điện năng, cung cấp công suất tản nhiệt 9 W với độ ồn 21 dBA. Giải pháp này được tối ưu hóa cho các SoM có hiệu năng khoảng 28 TOPS (Tera Operations Per Second), chẳng hạn như NVIDIA Jetson Orin Nano 4 GB hoặc AMD Kria KV260.

Phân khúc tầm trung có AirJet PAK 3C (chứa 3 module AirJet), cung cấp khả năng làm mát tới 24 W nhiệt lượng, tiêu thụ 4 W điện năng, dành cho các thiết bị Edge AI có hiệu năng khoảng 80 TOPS. Còn những hệ thống suy luận AI cường độ cao cỡ 100 TOPS, AirJet PAK 5C sẽ phù hợp nhất. Bên trong AirJet PAK 5C chứa 5 module AirJet, kích thước tổng thể 100 x 65 x 10 mm, nặng 101 gram, có khả năng loại bỏ 34 W - 35 W nhiệt lượng. Khi hoạt động, AirJet PAK 5C chỉ tạo ra độ ồn tối đa 29 dBA và tiêu thụ 6.5 W điện. Ứng dụng của giải pháp PAK 5C là NVIDIA Jetson Orin NX và AMD Versal VEK280.

Ở những hệ thống mới và cao hơn như NVIDIA Jetson Orin NX Super, vốn có hiệu năng khoảng 185 TOPS thì sẽ cần tới AirJet PAK 5C G2 (bên trong chứa 5 module AirJet Mini G2). Lựa chọn này có thể làm mát lượng nhiệt tới 45 W, trong khi giữ nguyên kích thước 100 x 65 x 10 mm cùng mức độ ồn lúc hoạt động dưới 27 dBA.

LiquidJet cho trung tâm dữ liệu

AirJet là giải pháp tản nhiệt chủ động thể rắn dành cho thiết bị di động, còn đối với các trung tâm dữ liệu AI, Frore Systems cung cấp giải pháp LiquidJet. Nếu như NVIDIA Blackwell có mức TDP (Thermal Design Power) 1400 W thì NVIDIA Rubin có TDP lên tới 1950 W, còn những nguyên mẫu tương lai như Rubin Ultra hay Feynman dự kiến vượt qua ngưỡng TDP 3600W tới 4400 W. Lúc này, hotspot trên bề  mặt vi xử lý sẽ là con số cực lớn, khiến cho hệ thống làm mát bằng coldplate truyền thống với các vi rãnh răng lược (skived microchannels) 2D thông thường không đủ khả năng đáp ứng.

Ứng dụng bán dẫn cho sản xuất coldplate

Điểm yếu lớn nhất của các coldplate bằng đồng gia công CNC truyền thống là chất lỏng phải đi qua quãng đường dài trong các vi rãnh 2D hẹp. Lực ma sát và khoảng cách di chuyển xa khiến áp suất thủy lực bị hao hụt, làm chậm tốc độ tuần hoàn và khiến chất lỏng nóng dần lên khi chưa hoàn thành chu kỳ, dẫn đến hiện tượng chênh lệch nhiệt độ bề mặt. Frore Systems không giải quyết vấn đề này bằng cách cải tiến dao cắt kim loại, thay vào đó, hãng ứng dụng công nghệ sản xuất bán dẫn. Quy trình chế tạo khối LiquidJet có sử dụng hệ thống mặt nạ quang học (maskset generation), quang khắc (photolithography), ăn mòn axit (etching) và kết dính vật liệu (bonding) trực tiếp lên các tấm wafer kim loại (thường là hợp kim đồng).

Độ chính xác cực cao của quy trình sản xuất bán dẫn tạo ra kiến trúc tản nhiệt sở hữu các 3D hybrid cell và 3D short-loop jetchannel microstructure, được thiết kế riêng biệt hóa theo đúng bản đồ nhiệt (thermal map) của từng dòng GPU cụ thể. Hệ thống định tuyến chất lỏng nhiều tầng (multistage cooling architecture) chia tách và ưu tiên bơm toàn bộ chất lỏng chưa bị tăng nhiệt trực tiếp vào các điểm nóng nhất của vi xử lý trước, sau đó mới đẩy phần chất lỏng này ra giải nhiệt cho các linh kiện xung quanh như bộ nhớ HBM.

Khi luồng chảy chất lỏng được tối ưu hóa, LiquidJet có khả năng làm mát các hotspot với công suất lên đến 600 W/cm² (tại nhiệt độ nước đầu vào 40°C), gấp đôi so với tiêu chuẩn ngành. Mức độ cản trở thủy lực của khối tản nhiệt cũng giảm 4 lần, cải thiện mức độ sụt áp (pressure drop) từ 0.94 psi xuống chỉ còn 0.24 psi. Kết quả thử nghiệm trên nền tảng NVIDIA Blackwell Ultra ở lưu lượng 2.1 lít/phút cho thấy LiquidJet giảm nhiệt độ chip tối đa xuống mức 67.6°C (mát hơn 7.7°C so với các coldplate dùng microchannel tốt nhất hiện nay ở mức 75.3°C), đồng thời khối tản nhiệt cũng nhẹ hơn 50% (từ 550 gram xuống 260 gram). Nhờ giữ được nhiệt độ mát mẻ và ổn định, máy chủ AI có tốc độ khởi tạo token AI tăng thêm từ 4% đến 10%.

LiquidJet Nexus

Trong các trung tâm máy chủ mật độ cao, hệ thống ống nước và bộ thu gom phân phối nước khá phức tạp và rối rắm ở từng khay tính toán, dẫn tới cản trở luồng khí lưu thông, đồng thời cũng có nguy cơ rò rỉ dung dịch làm mát. LiquidJet Nexus là giải pháp thiết kế nguyên khối (monolithic) nhằm giải quyết tình trạng này. Thay vì các bộ tản nhiệt đơn lẻ cho từng con chip, LiquidJet Nexus tích hợp mạng lưới làm mát lên hệ thống coldplate siêu nhẹ chuyên biệt dành cho các khay máy chủ chuẩn ½U (như kiến trúc NVIDIA Kyber). Trong module nguyên khối duy nhất, Nexus trực tiếp làm mát đồng thời 2 GPU, 1 CPU trung tâm, hệ thống DPU, card mạng NIC, cùng với các module cấp nguồn DC-DC/VR.

Thiết kế LiquidJet Nexus loại bỏ hoàn toàn các ống dẫn nước và đầu nối ở cấp độ khay, giảm tới 65% trọng lượng của cụm tản nhiệt hệ thống (giảm xuống còn khoảng 2.5 kg). Nhờ hiệu quả truyền nhiệt tăng tới 75%, LiquidJet Nexus cho phép trung tâm dữ liệu sử dụng nước ở nhiệt độ rất ấm - nhiệt độ nước đầu vào (inlet temperature) có thể lên đến 53°C. Việc này giúp trung tâm dữ liệu không cần thiết sử dụng hệ thống máy làm lạnh cơ học (mechanical chillers) cực kỳ tốn điện, từ đó giảm thêm 10% lượng điện năng vận hành cho cơ sở hạ tầng, tối ưu hóa chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng (PUE - Power Usage Effectiveness). Thiết kế gọn gàng của khay ½U này sẽ giúp tăng gấp đôi mật độ hệ thống tính toán (compute density) trong mỗi tủ rack tiêu chuẩn.

Ứng dụng thực tiễn

Nguyên mẫu Mini PC đầu tiên tích hợp AirJet là ZOTAC ZBOX pico PI430AJ. Chỉ với thể tích cực nhỏ 0.21 lít (tương đương với kích cỡ bộ bài tây lớn), ZBOX pico PI430AJ có cấu hình tương đương PC tiêu chuẩn gồm vi xử lý Intel Core i3-N300 (8 nhân, 8 luồng), 8 GB RAM LPDDR5 và SSD M.2 NVMe PCIe 3.0. Sử dụng 2 module AirJet Mini để duy trì 10 W công suất tản nhiệt, ZOTAC ZBOX pico PI430AJ có thể hoạt động với hiệu năng tối đa mà vẫn loại bỏ hoàn toàn rung động, hay tiếng ồn khó chịu từ quạt làm mát của những mẫu Mini PC truyền thống.

Trên thị trường laptop, Qualcomm đã có thiết kế nguyên mẫu 2-trong-1 siêu mỏng sử dụng vi xử lý Snapdragon X2 Elite, kết hợp 3 tới 4 module AirJet Mini G2. Trong khi laptop siêu mỏng với tản nhiệt thụ động thường giữ ngưỡng hiệu năng của CPU ở 12 W, việc sử dụng 4 module AirJety Mini G2, hiệu năng hệ thống có thể tăng lên 24 W (cải thiện 100%) mà độ ồn chỉ chưa tới 27 dBA. Intel cũng có thiết kế thử nghiệm với nền tảng Wildcat Lake, sử dụng buồng hơi (vapor chamber) kết hợp AirJet để duy trì mức hiệu năng PL1 ở 15 W liên tục, còn PL2 ở 30 W.

Tại gian hàng của Frore Systems ở COMPUTEX 2026 còn có trưng bày 1 ổ SSD di động trang bị 2 module AirJet Mini để làm mát. SSD di động này sử dụng chuẩn kết nối Thunderbolt 4 với tốc độ truyền tải dữ liệu gần 4000 MBps, rất dễ quá nhiệt SSD M.2 bên trong dẫn tới giảm hiệu năng xuống rất thấp. Bộ đôi AirJet Mini với mức điện năng tiêu thụ tổng thể 2.4 W sẽ có khả năng làm mát liên tục hơn 10 W nhiệt lượng, độ ồn thấp, đảm bảo duy trì tốc độ truyền tải dữ liệu cao.