Kuvittele pienoismetsä kuparisia piikkejä, jotka kurottavat humisevan sirun luo, jokaisen kärki kaiverrettu imemään lämpöä pois. Outoa, eikö? Mutta tuo kuva on nyt suunnitelma jäähdytysratkaisulle, joka voi muuttaa datakeskusten sähkönkulutusta.
Datakeskukset paisuvat kysynnän myötä. Palvelinten energiankäyttö Yhdysvalloissa yli kolminkertaistui vuosina 2014–2023, ja ennusteet viittaavat siihen, että se saattaa kaksinkertaistua tai kolminkertaistua uudelleen vuoteen 2028 mennessä, mahdollisesti vieden jopa 12 prosenttia kansallisesta sähköverkon kuormituksesta. Eikä vain laskenta kuluta energiaa: jäähdytys ja apujärjestelmät muodostavat usein lähes puolet laitoksen sähkölaskusta. Laskelmat ovat karuja - parempi sirujen jäähdytys ei ole pelkkä insinööriherkku; se on ilmasto- ja kustannuskysymys.
Tässä vaiheessa paikalle astuu uusi suoraan siruun liitettävä kylmälevy Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin tutkijoilta, yhteistyössä San Diegon valmistaja Fabric8Labsin kanssa. Ensisilmäyksellä se näyttää oudolta: sileiden, lohkomaisten siipien sijasta tiimi tuotti sahalaitaisia, partaveitsen kaltaisia ulokkeita puhtaasta kuparista. Muoto syntyi algoritmisesta veistäjästä, jota kutsutaan topologiaoptimoinniksi. Aloita suorakaiteesta, anna matemaattisten toistojen vääntää ja karsia sitä, ja saat muotoja, joita ihmisen intuitio harvoin kuvittele.
Miksi sahalaitainen? Koska lämmönsiirto riippuu geometriasta. Terävät kärjet ja epäsäännölliset reunat lisäävät jäähdytysnesteeseen kosketuksen pinta-alaa ja muodostavat virtauksia, jotka vievät lämpöä tehokkaammin. Ja koska insinöörit ottivat pumpun tehontarpeen osaksi optimointia, tulos tasapainottaa kaksi kilpailevaa tarvetta: siirrä lämpö nopeasti, mutta älä pakota pumppuja työskentelemään kovemmin. UIUC:n Nenad Miljkovicin mukaan menetelmä konvergoituu muotoihin, jotka maksimoivat lämmönsiirron samalla minimoiden pumpun tehontarpeen.
Kupari johtaa lämpöä erinomaisesti mutta on tunnetusti hankala tavallisissa lisäävän valmistuksen menetelmissä. Tiimin ratkaisu oli elektrokemiallinen lisäävä valmistus, ECAM. Sulattamisen sijasta ECAM tallettaa kuparia kerros kerrokselta elektrolyyttisellä pinnoituksella, mahdollistaen yksityiskohtien koon 30–50 mikrometriin saakka - hienompaa kuin ihmisen hius. Tämä tarkkuus antaa sahalaitaisen geometrian muuttua oikeaksi, käyttökelpoiseksi osaksi sen sijaan että se olisi pelkkä CAD:n koriste.
Hyödyt ovat konkreettisia. Verrattuna perinteisiin kylmälevyihin, joissa on yksinkertaiset suorakulmaiset siivet, puhtaasta kuparista topologiaoptimoinnilla valmistetut levyt tarjosivat jopa 32 prosenttia paremman jäähdytyksen samalla virtauksella ja vähensivät painehäviötä jopa 68 prosenttia säilyttäen lämmönsiirtymäkyvyn. Kun nämä parannukset skaalaantuvat tiheään, seuraavan sukupolven datakeskukseen, jäähdytys voisi kutistua noin 1.1 prosenttiin koko energiankäytöstä verrattuna nykyisten ilmanjäähdytysjärjestelyjen noin 30 prosenttiin. Nämä luvut ovat tarpeeksi suuria muuttamaan, miten operaattorit suunnittelevat kapasiteettia ja kestävyystavoitteita.
Vaikutukset ulottuvat laajemmin. Suoraan siruun liitetty nestekierto kiinnostaa jo nyt korkeatehoista laskentaa ja tekoälyklustereita, joissa lämpötiheydet nousevat. Mutta työnkulku - topologiaoptimointi yhdistettynä ECAMiin - voidaan sovittaa erilaisiin jäähdytysongelmiin eri mittakaavoissa, mikroelektroniikasta suurempiin lämmönvaihtimiin. Toisin sanoen tämä on vähemmän kertatuote ja enemmän menetelmä metallin muotoilun uudelleenajatteluun lämmön hallitsemiseksi.
Käytännön haasteita on edelleen: ECAM on nouseva tekniikka ja tarvitsee teollista skaalausta, kustannusanalyysiä ja pitkäaikaista luotettavuustestausta ennen kuin se korvaa nykyiset ratkaisut. Silti matemaattisen suunnittelun ja tarkkuuselektrokemiallisen valmistuksen yhdistelmä tarjoaa vakuuttavan tien eteenpäin. Kun sirut kirkuvat kuormituksen alla, ratkaisu ei aina ole lisää piirejä; joskus kyse on terävämmästä insinöörityöstä.
Jos datakeskukset ottavat nämä sahalaitaiset kuparilevyt laajassa käytössä, kuinka nopeasti voisimme piirtää uudelleen pilvipalveluiden energiakartan? Työkalut ovat käsissä - nyt on kysymys siitä, uskaltaako teollisuus hypätä mukaan.
"Olen tutkijatohtori fysiikan alalta ja haluan tuoda tieteen saavutukset kaikkien ulottuville. Genomissa kirjoitan selkeästi uusista keksinnöistä ja tutkimuksista."
Keskustelu
Jätä kommentti
Kommentit
Ei vielä kommentteja. Ole ensimmäinen.