Künstliche Intelligenz (KI) ist derzeit ein sehr aktuelles Thema, ebenso wie die Rechenzentren, die diese Technologie antreiben. Die Kühlung dieser Zentren erfordert enorme Energiemengen.

Da hochenergetische KI-Computer und -Geräte alltäglich werden, wird das Problem nur noch größer. Deshalb entwickelt der Forscher Chanwoo Park von der University of Missouri ein neues Kühlsystem, das eine drastische Reduzierung des Energiebedarfs verspricht.

Kühlung und Chipproduktion
„Kühlung und Chipproduktion gehen Hand in Hand“, sagte Park, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Mizzou College of Engineering. „Ohne angemessene Kühlung überhitzen die Komponenten und funktionieren nicht mehr. Energieeffiziente Rechenzentren werden für die Zukunft der KI-Computing von entscheidender Bedeutung sein.“

Lösung zukünftiger Probleme
Rechenzentren sind große Gebäude voller Server, die Computerchips zum Speichern und Verarbeiten von Daten enthalten. Sie sind die grundlegenden Rechenzentren, die Websites, mobile Anwendungen und Cloud-Daten antreiben.

Sie sind auch große Energieverbraucher. Im Jahr 2022 verbrauchten Rechenzentren mehr als 4 % des gesamten Stroms in den USA, wobei 40 % dieser Energie für die Kühlung der Ausrüstung verwendet wurden. Da die Anforderungen an Rechenzentren zunehmen, werden noch größere Energiemengen benötigt.

Um dies zu mildern, hat das US-Energieministerium mehr als 40 Millionen Dollar an Forscher vergeben, um neue Wege zur Kühlung von Rechenzentren zu finden. Park erhielt kürzlich fast 1,65 Millionen Dollar aus dieser Initiative, bekannt als COOLERCHIPS.

Derzeit werden Rechenzentren gekühlt, indem Lüfter verwendet werden, um Luft oder Flüssigkeit zu bewegen, die Wärme von den Computerregalen wegträgt.

Park und sein Team entwickeln ein zweiphasiges Kühlsystem, das darauf ausgelegt ist, Wärme effizient von Serverchips durch Phasenwechsel zu entfernen, wie etwa die Verdampfung von Flüssigkeit in Dampf in einer dünnen, porösen Schicht. Das System kann passiv ohne Energieverbrauch arbeiten, wenn weniger Kühlung benötigt wird. Selbst im aktiven Modus, in dem eine Pumpe verwendet wird, wird nur eine vernachlässigbare Menge an Energie verbraucht.

Effizienter Wärmetransfer
„Die Flüssigkeit bewegt sich in verschiedene Richtungen und verdampft auf einer dünnen Metalloberfläche“, sagte Park. „Durch die Verwendung dieser Siedefläche können wir einen sehr effizienten Wärmetransfer mit geringem thermischen Widerstand erreichen.“

Das System umfasst auch eine mechanische Pumpe, die aktiviert wird, um bei Bedarf mehr Wärme zu absorbieren.

Frühe Tests zeigen, dass zweiphasige Kühltechniken die Energiemenge, die zur Kühlung der Ausrüstung benötigt wird, drastisch reduzieren.

Das Team baut derzeit ein Kühlsystem, das für eine einfache Verbindung und Trennung innerhalb von Serverregalen ausgelegt ist. Park hofft, dass es im nächsten Jahrzehnt in Gebrauch sein wird, gerade wenn KI-gesteuerte Computer zum Mainstream werden.

„Letztendlich wird es Einschränkungen der aktuellen Kühlsysteme geben, und das ist ein Problem“, sagte Park. „Wir versuchen, der Kurve voraus zu sein und etwas bereit und verfügbar für die Zukunft des KI-Computing zu haben. Dies ist ein futuristisches Kühlsystem.“

Parks Arbeit stimmt mit den Zielen des Center for Energy Innovation überein, einem Gebäude, das auf dem Campus gebaut wird, um interdisziplinären Forschern die Bewältigung der Herausforderungen zu ermöglichen, die durch wachsende Energiebedürfnisse und das schnelle Wachstum der KI-Technologie entstehen. Die Idee ist, fortschrittliche Technologie zu nutzen, um die Energieproduktion, -speicherung und -effizienz zu optimieren.

„Das Zentrum wird es uns ermöglichen, zusätzliche Ideen und Innovationen rund um energieeffiziente Prozesse zu erkunden“, sagte Park. „Dies sind komplexe Probleme, die unterschiedliche Fachgebiete erfordern. Ich freue mich auf zukünftige Kooperationen.“

Darüber hinaus umfasst Parks Kühlmethode eine fortschrittliche Kapillarstruktur im Verdampfer, die die Bildung dünner Flüssigkeitsschichten ermöglicht, die leicht verdampfen, was eine effiziente Wärmeableitung von Serverchips mit minimalem thermischen Widerstand ermöglicht.

Das System verwendet ein hybrides Design, das kapillares und mechanisches Pumpen kombiniert. Im Verdampfer erzeugt die Kapillarstruktur dünne Flüssigkeitsschichten, die verdampfen, um Wärme effizient von Serverchips mit minimalem thermischen Widerstand abzuleiten. Gleichzeitig verbessert das mechanische Pumpen die Kühlkapazität, indem es erhebliche Mengen an Wärme absorbiert.

„Mit diesem hybriden Design schaffen wir eine ideale Lösung zur Kühlung von Rechenzentren“, sagte Park. „Es ist sehr anspruchsvoll und erfordert viel Analyse und Entwicklung. Es beinhaltet fortschrittliche Herstellungstechniken, ist aber darauf ausgelegt, große Wärmeflüsse bei geringem Energieverbrauch zu bewältigen. Es ist sehr nah an dem idealen Kühlsystem, das wir suchen.“

Park ist fünf Monate in einem dreijährigen Projekt. Das ultimative Ziel ist es, ein System zu finden, das kommerzialisiert und in Massenproduktion hergestellt werden kann, um in High-Tech-Rechenzentren verwendet zu werden. Er ist optimistisch, dass die Partnerschaft mit der Regierung und der Industrie zu einer erheblichen Kommerzialisierung führen wird.

„Dank der Zusammenarbeit mit nationalen Laboren und Industriepartnern erzielen wir bedeutende Fortschritte“, betonte Park und hob die erfolgreichen Erreichungen der ersten Meilensteine hervor. „Letztendlich bin ich optimistisch, dass dieses Kühlsystem in Rechenzentren übernommen wird, um die Gesamteffizienz zu verbessern.“

Die University of Missouri ist bestrebt, die Herausforderungen der wachsenden Energiebedürfnisse und des schnellen Wachstums der künstlichen Intelligenz durch das Center for Energy Innovation zu bewältigen, ein Gebäude, das Ingenieure, Agronomen, Physiker, Chemiker und Experten für öffentliche Politik zusammenbringen wird, um nachhaltige Lösungen für die Zukunft bereitzustellen und die inländische Energieversorgung zu stärken.

Quelle: University of Missouri