Data centers e a escalada do consumo de energia
A procura por serviços de IA e computação em nuvem não para de crescer, e isso tem levado os data centers a ficarem maiores, mais numerosos e, sobretudo, mais famintos por energia.
Não é difícil entender o motivo: para processar, analisar e transmitir dados, essas instalações reúnem grandes quantidades de servidores, dispositivos de armazenamento e outros equipamentos de TI.
Nos EUA, o consumo de energia dos servidores mais do que triplicou entre 2014 e 2023 e, segundo projeções, pode dobrar ou até triplicar novamente até 2028, chegando a representar até 12% da carga total da rede eléctrica do país.
E o gasto não se limita ao processamento em si. Quase metade da energia consumida por um data center é destinada ao resfriamento e a actividades auxiliares.
Como a placa fria de cobre puro resfria chips
Para enfrentar esse cenário, engenheiros criaram um sistema de resfriamento mais eficiente: uma placa fria de cobre puro, com pontas salientes e recortadas, que é acoplada directamente aos chips.
De forma apropriada, o desenho desse componente contou com ajuda de IA.
Mas, afinal, de que maneira esse novo sistema funciona?
Durante cerca de meio século, o resfriamento de chips de computador foi feito, sobretudo, com ar em circulação. O problema é que, à medida que os chips modernos se tornam mais potentes, também passam a libertar mais calor, e o ar circulante já não consegue remover esse calor com eficácia.
Por isso, um fluido refrigerante líquido em circulação - mais denso do que o ar - tende a ser mais eficiente para evitar o superaquecimento.
Para ter uma ideia, é pelo mesmo princípio que entrar numa piscina num dia quente pode arrefecer o corpo de forma tão efectiva, mesmo quando a água está apenas “morna”.
"O resfriamento é o gargalo no design de chips de computador", afirma Behnood Bazmi, engenheiro mecânico da University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC).
IA e optimização topológica no desenho das aletas
Com esse objectivo, uma equipa da UIUC, em colaboração com a empresa de manufatura norte-americana Fabric8Labs, "concebeu um novo sistema de resfriamento directo no chip composto por placas de cobre que se prendem aos chips".
"Essas placas têm 'aletas', ou projecções que se destacam para aumentar o contacto com o refrigerante em circulação e melhorar a eficiência de transferência de calor".
Embora placas frias convencionais também usem aletas - normalmente em formas simples, como rectângulos ou cones -, aqui elas foram desenhadas com bordas serrilhadas e pontas agudas, o que aumenta a área de superfície.
Para chegar a essas geometrias, os investigadores recorreram a uma técnica chamada optimização topológica, voltada a criar formas mais eficientes para mover calor. O processo parte de um rectângulo básico e, em seguida, um algoritmo matemático vai alterando o formato ao longo de múltiplas iterações.
A cada ciclo, são calculadas as propriedades de resfriamento e quanta energia é necessária para empurrar o fluido pela estrutura - e o desenho é refinado por tentativa e erro virtual.
Esse método ajuda a reduzir o problema do compromisso termo-hidráulico. Aletas melhores podem diminuir a queda de pressão, o que, por sua vez, reduz a potência exigida para bombear os fluidos de resfriamento através da estrutura.
"A optimização topológica acaba por convergir para um design que é óptimo em maximizar o desempenho térmico e minimizar a potência de bombeamento", explica Nenad Miljkovic, engenheiro mecânico da UIUC.
Fabricação por ECAM e ganhos de eficiência
No entanto, há um obstáculo: aletas com formatos intrincados são mais difíceis de fabricar. Além disso, o cobre - um metal versátil e com alta condutividade térmica - não se adapta particularmente bem a métodos como a impressão 3D convencional.
Por esse motivo, modelos anteriores de placas frias costumavam ser feitos de liga de alumínio ou aço inoxidável, materiais com desempenho térmico menos favorável.
Para contornar isso, a equipa juntou-se à Fabric8Labs, sediada em San Diego, para produzir as placas frias de cobre usando uma técnica emergente chamada electrochemical additive manufacturing (ECAM).
Diferentemente da manufatura subtractiva, que desgasta o material até obter o formato desejado, a manufatura aditiva (como a impressão 3D) constrói a peça ao depositar camadas sucessivas de material.
Em vez de derreter o cobre, o ECAM usa deposição electroquímica para formar as placas de cobre, camada por camada.
"O ECAM consegue fabricar peças de cobre puro com detalhes muito finos - na faixa de 30 a 50 micrômetros, menor do que a largura de um fio de cabelo humano", diz Miljkovic.
Segundo os investigadores, as placas resultantes - de cobre puro e com aletas pontiagudas e serrilhadas - atacam dois dos principais problemas mencionados.
Primeiro, elas podem oferecer até 32% mais capacidade de resfriamento do que placas convencionais com aletas rectangulares simples. Segundo, podem reduzir a queda de pressão em até 68% mantendo o mesmo nível de resfriamento.
Os investigadores também estimam que, ao adoptar essa tecnologia de placa fria em todo um data center "de alta densidade, de próxima geração", seria possível reduzir os custos de resfriamento para apenas 1.1% do consumo total de energia.
Para comparação, os métodos tradicionais de resfriamento a ar hoje respondem por cerca de 30% da energia usada por um data center.
Aplicações futuras não precisam ficar restritas a data centers, nem sequer ao universo electrónico: "O nosso fluxo de trabalho pode ser aplicado a uma ampla gama de desafios de resfriamento em diferentes escalas de comprimento", conclui Bazmi.
Esta pesquisa foi publicada na Cell Reports Physical Science.
Comentários
Ainda não há comentários. Seja o primeiro!
Deixar um comentário