¿Es el enfriamiento de chips la respuesta al problema de enfriamiento del centro de datos?

Dec 02, 2023

Soni Marrón | 29 de agosto de 2023

Los centros de datos son conocidos por su alto consumo de energía, y los equipos de refrigeración representan casi el 30% del uso total de energía. Los centros de datos con diseños térmicos de procesador pueden generar de 20 a 50 MW de calor, según Hugh Hudson, gerente de mercado de centros de datos de Daikin Applied, una empresa de refrigeración comercial. En vista de esto, los investigadores están explorando métodos de enfriamiento de chips para mitigar la carga energética y mejorar la eficiencia en los centros de datos.

El programa COOLERCHIPS del Departamento de Energía de EE. UU. otorgó recientemente a la Universidad Purdue un importante premio para avanzar en sus esfuerzos pioneros en el desarrollo de soluciones de refrigeración más eficientes para centros de datos. Centrándose en reducir el uso de energía y mejorar la eficiencia de la refrigeración, Purdue pretende revolucionar la forma en que se enfrían los chips.

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El crecimiento exponencial de los centros de datos en un mundo cada vez más digital ha llevado a importantes inversiones en investigación, particularmente en refrigeración de chips. El enfriamiento de los microchips (componentes principales que consumen energía en los centros de datos) puede representar por sí solo el 40% del uso total de energía en un centro de datos, y la demanda de agua como recurso de enfriamiento se está convirtiendo en un problema generalizado. Las organizaciones ahora están dando prioridad a la conservación del agua como parte de sus esfuerzos de sostenibilidad.

Yongsuk Choi, director de estrategia e infraestructura de Empyrion DC, una empresa de plataformas de infraestructura digital, dice que las aplicaciones de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML) realmente están "dando forma a la industria de los centros de datos".

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"Este crecimiento en la informática de alta capacidad ha provocado un espectacular aumento del 200 % en la densidad de rack hasta 20-30 KW por rack hoy en día", dijo Choi a Data Center Knowledge. "Aquí es donde entra en juego la refrigeración por microchip. En comparación con la refrigeración por aire convencional, que requiere refrigeración de todo el servicio, la refrigeración por microchip es mucho más específica y aborda la fuente directa de calor en el chip. nivel, consiguiendo una refrigeración más rápida con un menor consumo energético. Prevemos una mayor adopción de la refrigeración por microchips por parte de los operadores de centros de datos".

Para abordar los desafíos y explorar enfoques novedosos para el enfriamiento de chips, el DOE lanzó el programa Operaciones de enfriamiento optimizadas para saltos en energía, confiabilidad e hipereficiencia de carbono para sistemas de procesamiento de información de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) (o COOLERCHIPS). Este programa tiene como objetivo impulsar avances en la tecnología de refrigeración a través de la colaboración entre la academia, la industria y los laboratorios nacionales gubernamentales.

En mayo, el programa COOLERCHIPS emitió 40 millones de dólares en financiación para apoyar la investigación en este campo, con el objetivo de reducir el impacto medioambiental de los centros de datos mediante el desarrollo de "tecnologías de refrigeración altamente eficientes y fiables".

La Universidad Purdue, que recibió una subvención de 1,8 millones de dólares en el marco del programa COOLERCHIPS, está a la vanguardia del desarrollo de soluciones innovadoras de refrigeración de chips. La investigación de la universidad va más allá del enfriamiento de microchips y empaques semiconductores, y tiene como objetivo optimizar la transferencia de calor entre los componentes del centro de datos. Al mejorar el rendimiento térmico y reducir la potencia de bombeo, el objetivo de Purdue es revolucionar la forma en que se enfrían los centros de datos.

El equipo de Purdue estaba analizando más "tecnologías agresivas" que las que se utilizan, según Tiwei Wei, profesor asistente de ingeniería mecánica e investigador principal principal del proyecto.

Una de las áreas de investigación clave de la Universidad Purdue implica el enfriamiento por impacto de chorro de dos fases. Este enfoque utiliza microcanales llenos de líquido integrados directamente dentro del empaque del microchip. A medida que el chip genera calor, el líquido hierve y los vapores resultantes alejan el calor del chip. Luego, el vapor se condensa y se recircula dentro del chip, lo que permite un enfriamiento pasivo sin necesidad de una bomba.

La innovadora solución de Purdue también implica el contacto directo del líquido con la superficie del chip, eliminando la necesidad de materiales de interfaz térmica. Una capa de silicona en la parte posterior mejora aún más la eficiencia de enfriamiento. Al utilizar la gravedad del líquido, Purdue pretende minimizar el consumo de energía colocando el condensador en una posición más alta y permitiendo que la gravedad impulse el flujo hacia las virutas. Este enfoque optimiza la refrigeración del chip al tiempo que reduce el consumo de energía.

"Nuestra solución básicamente busca afectar el enfriamiento de los datos con algunas tecnologías de mejora de la superficie y extracción de batidores", dijo Wei. "Desde el nivel del chip, la refrigeración se realiza directamente en el chip".

Los métodos de refrigeración tradicionales en los centros de datos, como la refrigeración a nivel de la sala, ya no son suficientes para satisfacer las demandas de los microchips modernos de alto rendimiento. Para manejar eficazmente la generación de calor, los centros de datos ahora dependen de una combinación de sistemas de enfriamiento por aire, líquido directo y enfriamiento por inmersión. Mejorar el rendimiento térmico y reducir la potencia de bombeo contribuye al ahorro de energía y permite que los centros de datos se adapten a las mayores densidades de transistores de los nuevos chips de computadora.

Al desarrollar soluciones de refrigeración más eficientes para chips, la investigación de la Universidad Purdue se alinea con el objetivo del programa COOLERCHIPS.

La adopción de una nueva clase de sistemas de refrigeración eficientes es vital, dijo la Secretaria de Energía del DOE, Jennifer Granholm, en un comunicado, porque las altas temperaturas y las crecientes olas de calor están afectando a los centros de datos. "Los centros de datos que conectan la infraestructura informática y de red crítica" deben mantenerse a ciertas temperaturas para seguir funcionando, añadió.

Sin embargo, el veterano de la industria, fundador y director ejecutivo de Edge Cloud Link, Yuval Bachar, señala que actualmente existen otras alternativas para aliviar los puntos débiles de los centros de datos. Bachar considera que aprovechar el poder del hidrógeno es clave para los problemas energéticos de los centros de datos. Ha lanzado un modelo de centro de datos único que aprovecha el poder del hidrógeno. Sus centros de datos albergarían 4.000 servidores tradicionales en unos 100 metros cuadrados.

"Creo que podemos llegar a un 5% de gastos generales con soluciones de refrigeración tradicionales sin necesidad de refrigeración de emisiones", afirmó Bachar.

Pero Bachar y Purdue apuntan al mismo resultado: reducir los costos de refrigeración. Los esfuerzos de Purdue se alinean con el objetivo más amplio del programa COOLERSHIPS, que busca crear soluciones de refrigeración energéticamente eficientes y al mismo tiempo reducir la huella de carbono. También busca innovación que sea confiable y rentable.

Enfriar eficientemente los chips en los centros de datos es un factor crítico para mejorar la eficiencia energética general y reducir los costos. La investigación de la Universidad Purdue respaldada por el programa COOLERCHIPS tiene como objetivo revolucionar los métodos de enfriamiento de chips a través de enfoques innovadores como el impacto de chorro de dos fases y el contacto directo con líquidos.

Al optimizar la eficiencia de la refrigeración, los centros de datos pueden lograr ahorros sustanciales y lograr avances significativos hacia un futuro más sostenible.

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