Centros de dados: crescimento e consumo energético
A procura por serviços de IA e de computação na nuvem continua a aumentar, e, com isso, os centros de dados estão a tornar-se maiores, mais numerosos e muito mais exigentes em energia.
Não é surpreendente: estes espaços concentram servidores, sistemas de armazenamento e outro equipamento de TI que serve para processar, analisar e transmitir dados.
Nos EUA, o consumo energético dos servidores mais do que triplicou entre 2014 e 2023 e, de acordo com previsões, poderá voltar a duplicar - ou até triplicar - até 2028, passando a representar até 12 percent da carga da rede eléctrica do país.
E o gasto não vem apenas do cálculo: quase metade da energia consumida num centro de dados é atribuída ao arrefecimento e a actividades auxiliares.
Porque o ar já não chega para arrefecer chips
Durante cerca de meio século, o ar em circulação tem sido a solução mais comum para arrefecer chips. Só que, à medida que os chips modernos ganham potência, também produzem mais calor, e o ar em movimento já não consegue afastar essa energia térmica de forma suficiente.
Nessas condições, um líquido refrigerante em circulação - por ser mais denso do que o ar - pode ser mais eficaz a evitar o sobreaquecimento.
Um exemplo simples ajuda a perceber: é por isso que, num dia quente, entrar numa piscina consegue arrefecer-nos tão bem, mesmo que a água esteja também morna.
"O arrefecimento é o estrangulamento no design de chips de computador", afirma Behnood Bazmi, engenheiro mecânico na University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC).
Placa fria de cobre puro: design optimizado por IA
Para lidar com este problema, uma equipa de engenheiros da UIUC, em colaboração com a empresa de fabrico Fabric8Labs (EUA), concebeu "um novo sistema de arrefecimento directo ao chip composto por placas de cobre que se fixam aos chips".
"Estas placas têm 'alhetas', ou saliências que se projectam para aumentar o contacto com o refrigerante em circulação e melhorar a eficiência da transferência de calor".
Embora as placas frias convencionais também recorram a alhetas, estas costumam ter geometrias simples - como rectângulos ou cones. Aqui, em vez disso, as alhetas foram desenhadas com arestas irregulares e pontas agudas, de forma a aumentar a área de superfície.
O desenho foi apoiado por IA através de uma abordagem conhecida como optimização topológica, usada para encontrar formas que deslocam o calor de modo mais eficiente. O processo começa com um rectângulo básico e, depois, um algoritmo matemático vai alterando a sua forma ao longo de múltiplas iterações.
A cada passagem, são avaliadas as propriedades de arrefecimento e a energia necessária para fazer o fluido circular no interior da estrutura, afinando-se o resultado por tentativa-e-erro virtual.
Segundo os investigadores, este método ajuda a mitigar o problema do compromisso térmico-hidráulico. Alhetas mais eficazes podem reduzir a perda de pressão, diminuindo assim a potência necessária para bombear os fluidos de arrefecimento através da estrutura.
"A optimização topológica acaba por convergir para um design que é óptimo a maximizar o desempenho térmico e a minimizar a potência de bombagem", explica Nenad Miljkovic, engenheiro mecânico na UIUC.
Fabrico por ECAM e ganhos de eficiência
Apesar das vantagens, surge um obstáculo prático: alhetas com formas tão detalhadas são mais difíceis de fabricar. Além disso, o cobre - um metal multifuncional com boa condutividade térmica - não se adapta particularmente bem a métodos como a impressão 3D convencional.
Por essa razão, muitas placas frias anteriores foram feitas em liga de alumínio ou aço inoxidável, materiais com características térmicas menos favoráveis.
Para contornar a limitação, a equipa trabalhou com a Fabric8Labs, sediada em San Diego, para produzir as placas frias de cobre recorrendo a uma técnica emergente chamada fabrico aditivo electroquímico (ECAM).
Ao contrário do fabrico subtractivo, que remove material até atingir a forma pretendida, o fabrico aditivo (como na impressão 3D) constrói peças ao depositar camadas sucessivas.
No caso do ECAM, o cobre não é fundido; em vez disso, o processo usa deposição electroquímica para criar as placas camada a camada.
"O ECAM consegue fabricar peças de cobre puro com detalhe muito fino - até 30 a 50 micrómetros, menos do que a largura de um cabelo humano", diz Miljkovic.
De acordo com os investigadores, as placas finais, em cobre puro e com alhetas pontiagudas e recortadas, respondem a dois dos grandes problemas referidos.
Em primeiro lugar, podem proporcionar até 32 percent melhor arrefecimento do que placas convencionais com alhetas rectangulares simples. Em segundo, conseguem reduzir a perda de pressão em até 68 percent mantendo o mesmo nível de arrefecimento.
Os investigadores estimam ainda que, se esta tecnologia de placa fria for aplicada a um centro de dados inteiro "de alta densidade, de próxima geração", os custos de arrefecimento poderão descer para apenas 1.1 percent do consumo energético total.
Como comparação, os métodos de arrefecimento a ar convencionais representam actualmente cerca de 30 percent da energia usada por um centro de dados.
Os usos futuros, no entanto, não têm de ficar limitados aos centros de dados - nem sequer a aplicações electrónicas: "O nosso fluxo de trabalho pode ser aplicado a uma vasta gama de desafios de arrefecimento em diferentes escalas de comprimento", conclui Bazmi.
Este trabalho foi publicado na Cell Reports Physical Science.
Comentários
Ainda não há comentários. Seja o primeiro!
Deixar um comentário