Sztuczna inteligencja (AI) jest obecnie bardzo aktualnym tematem, podobnie jak centra danych, które napędzają tę technologię. Chłodzenie tych centrów wymaga ogromnych ilości energii.

W miarę jak komputery i urządzenia AI o wysokiej wydajności stają się powszechne, problem będzie tylko narastał. Dlatego badacz Chanwoo Park z Uniwersytetu Missouri opracowuje nowy system chłodzenia, który obiecuje drastyczne zmniejszenie zapotrzebowania na energię.

Chłodzenie i produkcja chipów
„Chłodzenie i produkcja chipów idą w parze“, powiedział Park, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej w Mizzou College of Engineering. „Bez odpowiedniego chłodzenia komponenty przegrzewają się i przestają działać. Energooszczędne centra danych będą kluczowe dla przyszłości obliczeń AI.“

Rozwiązywanie problemów przyszłości
Centra danych to duże budynki pełne serwerów, które zawierają chipy komputerowe do przechowywania i przetwarzania danych. Są to podstawowe centra komputerowe, które napędzają strony internetowe, aplikacje mobilne i dane w chmurze.

Są również ogromnymi konsumentami energii. W 2022 roku centra danych zużywały ponad 4% całkowitej energii elektrycznej w USA, z czego 40% tej energii przeznaczono na chłodzenie sprzętu. W miarę jak rosną wymagania dotyczące centrów danych, będą potrzebne jeszcze większe ilości energii.

Aby to złagodzić, Departament Energii USA przyznał naukowcom ponad 40 milionów dolarów na znalezienie nowych sposobów chłodzenia centrów danych. Park niedawno otrzymał prawie 1,65 miliona dolarów z tej inicjatywy, znanej jako COOLERCHIPS.

Obecnie centra danych są chłodzone za pomocą wentylatorów, które przemieszczają powietrze lub ciecz, która odprowadza ciepło od regałów komputerowych.

Park i jego zespół opracowują dwufazowy system chłodzenia zaprojektowany do efektywnego usuwania ciepła z chipów serwerowych poprzez zmianę fazy, taką jak odparowanie cieczy w parę w cienkiej, porowatej warstwie. System może działać pasywnie bez zużycia energii, gdy potrzebne jest mniejsze chłodzenie. Nawet w trybie aktywnym, gdzie używana jest pompa, zużywa się tylko niewielka ilość energii.

Efektywne przekazywanie ciepła
„Ciecz porusza się w różnych kierunkach i odparowuje na cienkiej metalowej powierzchni“, powiedział Park. „Korzystając z tej powierzchni wrzenia, możemy osiągnąć bardzo efektywne przekazywanie ciepła przy niskim oporze termicznym.“

System obejmuje również mechaniczną pompę, która aktywuje się, aby w razie potrzeby absorbować więcej ciepła.

Wczesne testy pokazują, że techniki chłodzenia dwufazowego drastycznie zmniejszają ilość energii potrzebnej do chłodzenia sprzętu.

Zespół obecnie buduje system chłodzenia zaprojektowany do łatwego podłączania i odłączania wewnątrz regałów serwerowych. Park ma nadzieję, że będzie on używany w ciągu następnej dekady, właśnie wtedy, gdy komputery napędzane technologią AI staną się głównym nurtem.

„Ostatecznie obecne systemy chłodzenia będą miały swoje ograniczenia, i to jest problem“, powiedział Park. „Staramy się być o krok do przodu i mieć coś gotowego i dostępnego na przyszłość obliczeń AI. To futurystyczny system chłodzenia.“

Prace Parka są zgodne z celami Centrum Innowacji Energetycznej, budynku, który powstaje na kampusie, aby umożliwić interdyscyplinarnym badaczom rozwiązywanie wyzwań stawianych przez rosnące potrzeby energetyczne i szybki rozwój technologii AI. Pomysł polega na wykorzystaniu zaawansowanej technologii do optymalizacji produkcji, przechowywania i efektywności energii.

„Centrum pozwoli nam na eksplorację dodatkowych pomysłów i innowacji wokół energooszczędnych procesów“, powiedział Park. „Są to skomplikowane problemy, które wymagają różnych dziedzin wiedzy. Nie mogę się doczekać przyszłej współpracy.“

Dodatkowo metoda chłodzenia Parka obejmuje zaawansowaną strukturę kapilarną wewnątrz parownika, która umożliwia tworzenie cienkich warstw cieczy, które łatwo odparowują, co pozwala na efektywne usuwanie ciepła z chipów serwerowych przy minimalnym oporze termicznym.

System wykorzystuje hybrydową konstrukcję łączącą kapilarne i mechaniczne pompowanie. Wewnątrz parownika struktura kapilarna tworzy cienkie warstwy cieczy, które odparowują, aby efektywnie usuwać ciepło z chipów serwerowych przy minimalnym oporze termicznym. Mechaniczne pompowanie jednocześnie zwiększa zdolność chłodzenia, absorbując znaczne ilości ciepła.

„Korzystając z tej hybrydowej konstrukcji, tworzymy idealne rozwiązanie do chłodzenia centrów danych“, powiedział Park. „Jest to bardzo trudne i wymaga wielu analiz i opracowań. Obejmuje zaawansowane techniki produkcji, ale jest zaprojektowane do radzenia sobie z dużymi przepływami cieplnymi przy niskim zużyciu energii. Jest to bardzo bliskie idealnemu systemowi chłodzenia, którego szukamy.“

Park jest pięć miesięcy w trzyletnim projekcie. Ostatecznym celem jest znalezienie systemu, który można skomercjalizować i produkować masowo do użytku w nowoczesnych centrach danych. Jest optymistą, że partnerstwo z rządem i przemysłem doprowadzi do znaczącej komercjalizacji.

„Dzięki współpracy z narodowymi laboratoriami i partnerami przemysłowymi osiągamy znaczące postępy“, podkreślił Park, wskazując na pomyślne osiągnięcia początkowych kamieni milowych. „Ostatecznie jestem optymistą, że ten system chłodzenia zostanie przyjęty w centrach danych w celu poprawy ogólnej efektywności.“

Uniwersytet Missouri jest zaangażowany w rozwiązywanie wyzwań związanych z rosnącymi potrzebami energetycznymi i szybkim rozwojem sztucznej inteligencji poprzez Centrum Innowacji Energetycznej, budynek, który zgromadzi inżynierów, agronomów, fizyków, chemików i ekspertów ds. polityki publicznej, aby dostarczyć zrównoważone rozwiązania na przyszłość i wzmocnić krajowe dostawy energii.

Źródło: University of Missouri