مراکز داده به دلیل مصرف بالای انرژی خود بدنام هستند و تجهیزات خنک کننده تقریباً 30 درصد از کل مصرف برق را تشکیل می دهند. مراکز داده با طراحی حرارتی پردازنده می توانند 20 تا 50 مگاوات تولید کنند به گفته هیو هادسون، مدیر بازار مرکز داده Daikin Applied، یک شرکت خنک کننده تجاری، گرما. با توجه به این موضوع، محققان در حال بررسی روش های خنک کننده تراشه برای کاهش بار انرژی و بهبود کارایی در مراکز داده هستند.
برنامه COOLERCHIPS وزارت انرژی ایالات متحده اخیراً به دانشگاه پوردو جایزه قابل توجهی را برای پیشبرد تلاش های پیشگام خود در توسعه راه حل های خنک کننده کارآمدتر برای مراکز داده اعطا کرده است. پوردو با تمرکز بر کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان خنک‌کننده، قصد دارد روش خنک‌سازی تراشه‌ها را متحول کند.
چالش تراشه های خنک کننده در مراکز داده
رشد تصاعدی مراکز داده در دنیای دیجیتالی رو به افزایش منجر به سرمایه گذاری های قابل توجهی در تحقیقات، به ویژه در خنک سازی تراشه ها شده است. خنک‌سازی ریزتراشه‌ها – اجزای اصلی مصرف‌کننده انرژی در مراکز داده – به تنهایی می‌تواند 40 درصد از مصرف انرژی کلی در یک مرکز داده را به خود اختصاص دهد و تقاضا برای آب به عنوان منبع خنک‌کننده در حال تبدیل شدن به یک مشکل گسترده است. سازمان ها در حال حاضر حفظ آب را به عنوان بخشی از تلاش های پایداری خود در اولویت قرار می دهند.
Yongsuk Choi، مدیر استراتژی و زیرساخت، در Empyrion DC، یک شرکت پلت فرم زیرساخت دیجیتال، می‌گوید که هوش مصنوعی (AI) و برنامه‌های یادگیری ماشین (ML) واقعاً «صنعت مرکز داده را شکل می‌دهند».
چنین رشدی در محاسبات با ظرفیت بالا باعث افزایش چشمگیر 200 درصدی تراکم رک به 20 تا 30 کیلووات شده است. چوی گفت دانش مرکز داده. “این جایی است که خنک کننده ریزتراشه وارد می شود. در مقایسه با خنک کننده هوای معمولی، که نیاز به خنک سازی کل سرویس دارد، خنک کننده ریزتراشه بسیار هدفمندتر است و منبع مستقیم گرما را در سطح تراشه مورد توجه قرار می دهد و به خنک سازی سریع تر با مصرف انرژی کمتر می رسد. ما پیش بینی پذیرش بیشتر خنک کننده ریزتراشه توسط اپراتورهای مرکز داده است.”
هدف COOLERCHIPS: توسعه فن‌آوری‌های خنک‌کننده «بسیار کارآمد».
برای مقابله با چالش‌ها و بررسی رویکردهای جدید برای خنک‌سازی تراشه، DOE برنامه عملیات خنک‌سازی آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته (ARPA-E) را راه‌اندازی کرد که برای جهش در انرژی، قابلیت اطمینان و کارایی کربن برای سیستم‌های پردازش اطلاعات – یا COOLERCHIPS – بهینه شده است. هدف این برنامه از طریق همکاری بین دانشگاه ها، صنعت و آزمایشگاه های ملی دولتی، پیشرفت در فناوری خنک کننده است.
در ماه مه، برنامه COOLERCHIPS 40 میلیون دلار بودجه برای حمایت از تحقیقات در این زمینه با هدف کاهش اثرات زیست محیطی مراکز داده با توسعه “فناوری های خنک کننده بسیار کارآمد و قابل اعتماد” صادر کرد.
تحقیقات خنک کننده تراشه پیشگام دانشگاه پردو
دانشگاه پردو، دریافت کننده کمک هزینه 1.8 میلیون دلاری تحت برنامه COOLERCHIPS، در خط مقدم توسعه راه حل های خنک کننده نوآورانه تراشه قرار دارد. تحقیقات این دانشگاه فراتر از خنک کردن ریزتراشه های نیمه هادی و بسته بندی است و هدف آن بهینه سازی انتقال حرارت در میان اجزای مرکز داده است. هدف Purdue با افزایش عملکرد حرارتی و کاهش قدرت پمپاژ، ایجاد انقلابی در روش خنک‌سازی مراکز داده است.
خنک کننده برخورد جت دو فاز
به گفته Tiwei Wei، استادیار مهندسی مکانیک و محقق اصلی پروژه، تیم Purdue به دنبال «فناوری‌های تهاجمی» بیشتر از آنچه در حال استفاده است، بود.
یکی از حوزه‌های تحقیقاتی کلیدی در دانشگاه پردو، خنک‌سازی برخورد جت دو فازی است. این رویکرد از میکروکانال‌های پر از مایعی که مستقیماً در بسته‌بندی ریزتراشه یکپارچه شده‌اند، استفاده می‌کند. همانطور که تراشه گرما تولید می کند، مایع به جوش می آید و بخارات حاصله گرما را از تراشه دور می کند. سپس بخار متراکم شده و به داخل تراشه چرخانده می شود و خنک سازی غیرفعال را بدون نیاز به پمپ امکان پذیر می کند.
تماس مستقیم مایع و جریان گرانشی
راه حل نوآورانه پوردو همچنین شامل تماس مستقیم مایع با سطح تراشه است که نیاز به مواد رابط حرارتی را از بین می برد. لایه ای از سیلیکون در قسمت پشتی کارایی خنک کننده را بیشتر می کند. هدف Purdue با استفاده از گرانش مایع، به حداقل رساندن مصرف انرژی با قرار دادن کندانسور در موقعیت بالاتر و اجازه دادن به گرانش برای هدایت جریان به داخل تراشه ها است. این رویکرد خنک کننده تراشه را بهینه می کند و در عین حال مصرف انرژی را کاهش می دهد.
وی گفت: «راه‌حل ما اساساً به دنبال ضربه زدن به خنک‌سازی داده‌ها با برخی فناوری‌های بهبود سطح و استخراج whipper است. از سطح تراشه، خنک کننده مستقیماً روی تراشه است.
پاسخگویی به نیازهای خنک کننده تراشه های با کارایی بالا
روش‌های خنک‌سازی سنتی در مراکز داده، مانند خنک‌سازی در سطح اتاق، دیگر برای پاسخگویی به نیازهای ریزتراشه‌های مدرن با کارایی بالا کافی نیستند. برای مدیریت موثر تولید گرما، مراکز داده اکنون به ترکیبی از سیستم های خنک کننده هوا، مایع مستقیم و خنک کننده غوطه ور متکی هستند. افزایش عملکرد حرارتی و کاهش قدرت پمپاژ به صرفه جویی در انرژی کمک می کند و مراکز داده را قادر می سازد تا تراکم ترانزیستورهای بالاتر تراشه های کامپیوتری جدید را تطبیق دهند.
با توسعه راه حل های خنک کننده کارآمدتر برای تراشه ها، تحقیقات دانشگاه پردو با هدف برنامه COOLERCHIPS هماهنگ می شود.
جنیفر گرانهولم، وزیر انرژی DOE در بیانیه ای گفت که اتخاذ یک کلاس جدید از سیستم های خنک کننده کارآمد بسیار مهم است، زیرا افزایش دما و افزایش امواج گرما بر مراکز داده تأثیر می گذارد. او افزود: «مراکز داده‌ای که محاسبات حیاتی و زیرساخت‌های شبکه را به هم متصل می‌کنند» باید در دماهای مشخصی نگهداری شوند تا عملیاتی شوند.
با این حال، کهنه کار صنعت و بنیانگذار و مدیر عامل Edge Cloud Link Yuval Bachar خاطرنشان می کند که جایگزین های دیگری در حال حاضر برای کاهش درد مراکز داده وجود دارد. باچار استفاده از قدرت هیدروژن را کلید مسائل انرژی مرکز داده می داند. او یک مدل مرکز داده منحصر به فرد را راه اندازی کرده است که از قدرت هیدروژن استفاده می کند. مراکز داده او دارای 4000 سرور سنتی در حدود 100 متر مربع است.
باچار گفت: “من فکر می کنم ما می توانیم با راه حل های خنک کننده سنتی بدون نیاز به خنک کننده گازهای گلخانه ای به 5٪ سربار برسیم.”
اما هدف Bachar و Purdue همان نتیجه است: کاهش هزینه های خنک کننده. تلاش‌های پوردو با هدف گسترده‌تر برنامه COOLERSHIPS، که به دنبال ایجاد راه‌حل‌های خنک‌کننده با انرژی کارآمد و در عین حال کاهش ردپای کربن است، همسو است. همچنین به دنبال نوآوری است که قابل اعتماد و مقرون به صرفه باشد.
نتیجه
خنک‌سازی کارآمد تراشه‌ها در مراکز داده، عاملی حیاتی در بهبود بهره‌وری کلی انرژی و کاهش هزینه‌ها است. تحقیقات دانشگاه پردو با پشتیبانی برنامه COOLERCHIPS با هدف ایجاد انقلابی در روش های خنک کننده تراشه از طریق رویکردهای نوآورانه مانند برخورد جت دو فاز و تماس مستقیم با مایع است.
با بهینه سازی راندمان خنک کننده، مراکز داده می توانند به صرفه جویی قابل توجهی دست یابند و پیشرفت چشمگیری به سمت آینده ای پایدارتر داشته باشند.