آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته-انرژی وزارت انرژی ایالات متحده (ARPA-E) بودجه فدرال را برای بسیاری از فروشندگان و مؤسسات دانشگاهی در سپتامبر 2022 به عنوان بخشی از برنامه COOLERCHIPS اعلام کرد. هدف؟ برای توسعه فناوری های خنک کننده تحول آفرین، بسیار کارآمد و قابل اعتماد که در هر زمان و در هر مکان ایالات متحده برای یک سیستم محاسباتی با چگالی بالا، کل مصرف انرژی خنک کننده را به کمتر از 5٪ از بار IT یک مرکز داده معمولی کاهش دهید. این یک دستور بلند است.
هجده ماه بعد، کجا ایستاده ایم؟ پیتر دو بوک، مدیر برنامه ARPA-E در کنفرانس جهانی مرکز داده 2024 به روز رسانی را ارائه کرد.
او گفت: «ما پروژه‌هایی در زمینه خنک‌کننده غوطه‌وری تک‌فاز و دو فاز و خنک‌کننده مستقیم به تراشه (DtC) و همچنین پروژه‌های دیگر در دست اجرا داریم و قصد داریم تا نیمه اول سال 2026 یک اثبات مفهومی داشته باشیم. تا سال 2030، کشوری با کارآمدترین، قدرتمندترین و کم هزینه ترین مراکز داده در یک مزیت بزرگ قرار خواهد گرفت.
حل معضل همکاری و تامین مالی
دی باک این را به عنوان یک برنامه مهتابی توصیف می کند. اکثر پروژه‌هایی که تامین مالی می‌شوند شامل شرکت‌کنندگان متعددی می‌شوند تا فناوری را بسیار فراتر از محدودیت‌های فعلی پیش ببرند.
دی بوک گفت: «دولت برای دور زدن چالش‌هایی مانند اینکه کدام فروشنده برای نوآوری پول می‌پردازد، صورت‌حساب را پرداخت می‌کند.
اما کدام فن‌آوری‌ها و پروژه‌های COOLERCHIPS در نهایت با کاهش چشمگیر مقاومت حرارتی دفع گرما به اهداف برنامه دست می‌یابند و اجازه می‌دهند خنک‌کننده‌ها در دماهای کمتر از 10 درجه سانتیگراد متفاوت از دمای عملیاتی آخرین نسل تراشه‌ها وجود داشته باشند؟ دی بوک در طول صحبت های خود چیز زیادی از خود نشان نداد. او خاطرنشان کرد که پیشرفت‌هایی در توسعه راه‌حل‌های بالقوه‌ای که می‌توانند به طور موثر تراکم مرکز داده 80 کیلووات بر متر مکعب و بیشتر را خنک کنند، حاصل شده است. کار برای اطمینان از اینکه رویکردهای برنده، هزینه کل مالکیت پایین (TCO) را بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان و در دسترس بودن مرکز داده ارائه می‌کنند، ادامه دارد.
برخی از ایده های در دست توسعه شامل دستکاری جریان سه بعدی بهتر صفحات سرد برای انتقال موثر گرما است. مواد صفحه سرد نیز مورد توجه قرار گرفته اند. سیلیکون، در ترکیب با مواد دیگر، ممکن است گزینه بهتری نسبت به مس و آلومینیوم باشد. به عنوان مثال، HP یک سر چاپگر مبتنی بر سیلیکون (با NVIDIA کار می کند) توسعه داده است.
یکی دیگر از پروژه های اینتل COOLERCHIPS در تلاش است تا خنک کننده غوطه وری را به سطح بعدی برساند. مناطقی مانند جایگزینی سیال در حال بررسی هستند تا جایگزینی سیالات غوطه وری از هر شش ماه تا پنج سال طول بکشد.
علاوه بر این، یکی از مسائلی که در حال بررسی است افزایش دمای مراکز داده است. برای اینکه دمای هوا در مرکز داده به اندازه کافی پایین باشد تا برای پرسنل تعمیر و نگهداری راحت باشد، به خنک کننده و قدرت زیادی نیاز دارد.
دی بوک می گوید: «معماری های بازسازی شده مرکز داده ممکن است به ما این امکان را بدهد که انسان ها را در یک اتاق با رایانه ها نداشته باشیم تا بتوانیم مراکز داده داغ تر را راه اندازی کنیم و تقاضای انرژی کمتری داشته باشیم. طی 18 ماه آینده، خواهیم دید که چه ایده‌هایی به نتیجه می‌رسند.
او فاش کرد که COOLERCHIPS در واقع مخفف عبارت Cooling Operations Optimized for Leaps in Energy, Reliability and Carbon Hyper-efficiency برای سیستم های پردازش اطلاعات است.
ARPA-E انتظار دارد 90 درصد از پروژه ها به اهداف خود نرسند. اما 10 درصد موفقیت احتمالاً صنعت را متحول خواهد کرد. شرکت کنندگان تشویق می شوند تا تکنیک ها و طرح های رادیکال و اثبات نشده را امتحان کنند. ASHRAE و سایر استانداردها تا حد زیادی نادیده گرفته می شوند. دیدگاه دی باک این است که تلاش برای پایبندی به استانداردها باعث از بین رفتن برنامه می شود. در هر صورت، پروژه‌های برنده احتمالاً استانداردهای موجود را شکسته و موجب توسعه استانداردهای جدید می‌شوند.
در Data Center World 2024، De Bock از خنک کننده تبخیری به عنوان روشی کارآمد برای خنک کردن مرکز داده دفاع کرد – البته به شرطی که آب در دسترس باشد. وی به صرفه جویی در مصرف انرژی حدود 60 درصد اشاره کرد، اما افزود که زمانی که دما به 55 درجه سانتیگراد برسد، روش های خنک کننده دیگری مورد نیاز است.
چهار آهنگ COOLERCHIPS
برنامه COOLERCHIPS دارای چهار مسیر مجزا است:
1. اجزای مربوط به حلقه خنک کننده ثانویه که گرما را از سرورها به آب تاسیسات یا حلقه خنک کننده اولیه منتقل می کند.
2. سیستم‌های خنک‌کننده برای مراکز داده مدولار و لبه‌ای که حلقه‌های خنک‌کننده ثانویه و اولیه را در بر می‌گیرند که گرما را از آب تأسیسات به محیط منتقل می‌کنند.
دی بوک گفت: «ما در حال بررسی مفهوم ماژول لبه همه در یک با واحدهایی هستیم که تأخیر کم، مصرف حداقلی تا بدون آب و توانایی ارائه تراکم محاسباتی بالا را ارائه می‌دهند.
3. نرم افزار سیستم خنک کننده مرکز داده که شامل توانایی مدل سازی بهره وری انرژی، قابلیت اطمینان، CO می باشد2 ردپا، و هزینه به طور همزمان.
ما فاقد ابزارهایی برای انرژی، CO است2دی بوک گفت، مدل سازی انرژی و هزینه و برخی تیم ها روی آن تمرکز کرده اند. “هر راه حلی که در داخل برنامه ابداع شود باید ثابت کند که حداقل می تواند به 99.2٪ آپتایم دست یابد.”
4. تسهیلات پشتیبانی برای آزمایش فناوری های جدید توسعه یافته در دو مسیر اول.
ARPA-E همچنان به دنبال شرکت کنندگان در برنامه های خود است. همچنین به شرکت کنندگان اجازه می دهد تا از پارامترهای اصلی فراتر روند. برخی تشویق می شوند تا اهداف بالاتری را برای راندمان خنک کننده، دما و چگالی پیشنهاد دهند و برای بودجه بیشتر درخواست دهند.
دی بوک گفت: «همه روش‌های خنک‌کننده جای خود را دارند – از جمله غوطه‌وری، DtC، خنک‌کننده هوا و موارد دیگر». “نتیجه ایده آل رسیدن به واحدهای مدولار است که می توانند میلیون ها نفر برای دستیابی به صرفه جویی در مقیاس صنعت خودرو تولید شوند.”
واقعیت های بازار
راکش راداکریشنان، مشاور فناوری به بازار در ایالات متحده وزارت انرژی (DOE)، دیدگاهی را در مورد تجاری سازی راه حل های COOLERCHIPS اضافه کرد.
او گفت: “ما بودجه را برای کسانی که بهترین پتانسیل تجاری سازی را دارند افزایش می دهیم.” “این کار برای انتقال این پروژه ها به POC در یک مرکز داده انجام می شود.”
بنابراین، بودجه اولیه ARPA-E برای تقویت تحقیق و نوآوری وجود دارد. بهترین نامزدها یک تزریق نقدی بیشتر برای افزایش مقیاس و POC دریافت می کنند. بادوام ترین فناوری ها در اختیار فروشندگان و جامعه سرمایه گذاری قرار می گیرد تا آنها را به بازار عرضه کنند.
با ادامه کار در بسیاری از زمینه ها به طور همزمان، همراه با حجم نوآوری آشکار در جامعه فروشندگان، مطمئناً یک یا چند فناوری خنک کننده برنده ظاهر می شود. نیاز فوری است.
شن وانگ، تحلیلگر اصلی Omdia، خاطرنشان کرد که اندازه قالب CPU ها از دهه 1970 100 برابر افزایش یافته است. از سال 2000، اندازه پردازنده 7.6 برابر و مصرف انرژی 4.6 برابر افزایش یافته است.
وانگ گفت: “برای رک های بالای 150 کیلووات نوآوری مورد نیاز است.” آیا این غوطه وری، DtC یا ترکیبی از غوطه وری و خنک کننده هوا خواهد بود؟ زمان مشخص خواهد کرد. اما بیشترین نیاز در حال حاضر این است که بتوانیم به طور دقیق و کارآمد خنک کنیم.