با افزایش مداوم تقاضا برای خدمات هوش مصنوعی و رایانش ابری، مراکز داده در حال بزرگتر شدن، بیشتر شدن و مصرف انرژی بیشتری هستند.
این موضوع با توجه به تعداد زیاد سرورها، دستگاههای ذخیرهسازی و سایر تجهیزات IT که برای پردازش، تحلیل و انتقال دادهها استفاده میشوند، چندان عجیب نیست.
در ایالات متحده، مصرف انرژی سرورها بین سالهای ۲۰۱۴ و ۲۰۲۳ بیش از سه برابر شده و ممکن است تا سال ۲۰۲۸ دوباره دو یا سه برابر شود و تا ۱۲ درصد از بار شبکه کشور را تشکیل دهد، طبق پیشبینیها.
و این تنها به خود پردازش مربوط نیست: تقریباً نیمی از مصرف انرژی یک مرکز داده به فعالیتهای خنکسازی و کمکی مربوط میشود.
بنابراین، مهندسان اکنون یک نوع جدید و کارآمدتر از سیستم خنکسازی را توسعه دادهاند: یک صفحه سرد از مس خالص با نوکهای دندانهدار که به چیپهای کامپیوتری متصل میشود.
به طرز جالبی، طراحی آن با کمک هوش مصنوعی انجام شده است.
این سیستم جدید چگونه کار میکند؟
در نیمقرن گذشته، استفاده از هوای در حال چرخش برای خنکسازی چیپهای کامپیوتری رایج بوده است. اما با افزایش قدرت چیپهای مدرن، آنها گرمای بیشتری تولید میکنند و هوای در حال چرخش دیگر برای انتقال آن گرما کافی نیست.
بنابراین، یک خنککننده مایع در حال چرخش که چگالی بیشتری نسبت به هوا دارد، ممکن است در جلوگیری از گرمای بیش از حد مؤثرتر باشد.
برای درک بهتر، این موضوع به این دلیل است که پریدن به استخر در یک روز گرم میتواند شما را به طور مؤثری خنک کند، حتی اگر آب نیز گرم باشد.
“خنکسازی گلوگاه در طراحی چیپهای کامپیوتری است،” میگوید بهنوید بازمی، مهندس مکانیک در دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپین.
برای حل این مشکل، مهندسان دانشگاه ایلینوی، در همکاری با شرکت تولیدی مستقر در ایالات متحده Fabric8Labs، یک سیستم خنکسازی مستقیم به چیپ را طراحی کردند که از صفحات مسی تشکیل شده است که به چیپهای کامپیوتری متصل میشوند.
این صفحات دارای “فینها” یا برآمدگیهایی هستند که برای افزایش تماس با خنککننده در حال چرخش و بهبود کارایی انتقال حرارت طراحی شدهاند.
در حالی که صفحات سرد معمولی اغلب از فینهای سادهای مانند مستطیل یا مخروط استفاده میکنند، فینهای طراحی شده در اینجا دارای لبههای دندانهدار و نوکهای تیز هستند تا سطح تماس را افزایش دهند.
پژوهشگران از تکنیکی به نام بهینهسازی توپولوژیکی برای طراحی اشکال کارآمدتر انتقال حرارت استفاده کردند. این تکنیک با یک مستطیل پایه آغاز میشود و سپس از یک الگوریتم ریاضی برای تغییر شکل آن در چندین مرحله استفاده میکند.
ویژگیهای خنککنندگی آن و میزان انرژی مورد نیاز برای پمپاژ مایع از طریق آن، در هر بار محاسبه و از طریق آزمایشهای مجازی بهینهسازی میشود.
این تکنیک به کاهش مشکل تریدآف حرارتی-هیدرولیکی کمک میکند. فینهای بهبود یافته فشار افت را کاهش میدهند و قدرت مورد نیاز برای پمپاژ مایعات خنککننده از طریق ساختار را کاهش میدهند.
“بهینهسازی توپولوژیکی در نهایت به طراحیای منجر میشود که در حداکثر کردن عملکرد حرارتی و حداقل کردن قدرت پمپاژ بهینه است،” توضیح میدهد نناد میلکویچ، مهندس مکانیک در دانشگاه ایلینوی.
با این حال، این طراحی یک مشکل دیگر را ایجاد میکند: فینهای با شکل پیچیده تولید آنها دشوارتر است. به همین ترتیب، مس به عنوان یک فلز چندمنظوره دارای هدایت حرارتی مطلوب است اما به روشهای ساخت مانند چاپ سهبعدی معمولی چندان مناسب نیست.
در نتیجه، طراحیهای قبلی صفحات سرد از آلیاژ آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ ساخته شدهاند که خواص حرارتی کمتری دارند.
به دنبال راهحلی، پژوهشگران با شرکت تولیدی Fabric8Labs مستقر در سن دیگو همکاری کردند تا صفحات مسی را با استفاده از یک تکنیک نوظهور به نام ساخت افزودنی الکتروشیمیایی (ECAM) تولید کنند.
در مقابل تولیدات کاهشی، که مواد را به شکلهای مورد نظر کاهش میدهد، تولیدات افزودنی (مانند چاپ سهبعدی) آنها را با قرار دادن لایههای متوالی از مواد به هم میسازد.
به جای ذوب کردن مس، ECAM از الکتروپلاستیک برای ساخت صفحات مسی به صورت لایه به لایه استفاده میکند.
“ECAM میتواند قطعات مس خالص را با جزئیات بسیار دقیق تولید کند – تا ۳۰ تا ۵۰ میکرومتر، کمتر از عرض یک موی انسان،” میگوید میلکویچ.
صفحات مس خالص حاصل، با فینهای تیز و دندانهدار، دو مشکل عمده ذکر شده را حل میکنند، به گفته پژوهشگران.
اول، آنها میتوانند تا ۳۲ درصد خنککنندگی بهتری نسبت به صفحات معمولی با فینهای مستطیلی ساده ارائه دهند. دوم، آنها میتوانند افت فشار را تا ۶۸ درصد کاهش دهند در حالی که همان سطح خنککنندگی را ارائه میدهند.
پژوهشگران همچنین تخمین میزنند که استفاده از این فناوری صفحات سرد در یک “مرکز داده نسل بعدی با چگالی بالا” میتواند هزینههای خنکسازی را به تنها ۱.۱ درصد از کل مصرف انرژی کاهش دهد.
برای مقایسه، روشهای خنکسازی هوایی معمولی در حال حاضر حدود ۳۰ درصد از مصرف انرژی یک مرکز داده را تشکیل میدهند.
استفادههای آینده محدود به مراکز داده یا حتی برنامههای الکترونیکی نیست: “جریان کاری ما میتواند به طیف وسیعی از چالشهای خنکسازی در مقیاسهای مختلف اعمال شود،” نتیجهگیری میکند بازمی.
این تحقیق در Cell Reports Physical Science منتشر شده است.
