Placa fria de cobre com IA melhora a refrigeração dos centros de dados

Com a procura cada vez maior por serviços de IA e computação em nuvem, os centros de dados estão a tornar-se maiores, mais numerosos e mais exigentes em termos energéticos.

Não é difícil perceber porquê: utilizam servidores, dispositivos de armazenamento e outro equipamento de TI para processar, analisar e transmitir dados.

Nos EUA, o consumo energético dos servidores mais do que triplicou entre 2014 e 2023 e, segundo previsões, poderá duplicar ou até triplicar novamente até 2028, representando até 12 por cento da carga da rede elétrica do país.

E não é apenas o processamento que consome energia: quase metade do consumo de um centro de dados está associada à refrigeração e a atividades auxiliares.

Perante este cenário, engenheiros desenvolveram um novo sistema de refrigeração mais eficiente: uma placa fria de cobre puro, equipada com pontas irregulares e salientes, que se fixa aos chips informáticos.

De forma apropriada, a IA também contribuiu para o seu desenvolvimento.

Como funciona a placa fria de cobre

Então, como funciona este novo sistema?

Há meio século que o ar circulante é habitualmente utilizado para arrefecer chips informáticos. Contudo, à medida que os chips modernos se tornam mais potentes, produzem mais calor, e o ar em circulação já não consegue afastar esse calor de forma suficiente.

Por isso, um líquido de refrigeração circulante, mais denso do que o ar, pode ser mais eficaz a evitar o sobreaquecimento.

Como comparação, é por esta razão que mergulhar numa piscina num dia quente pode arrefecer-nos tão eficazmente, mesmo quando a água também está relativamente morna.

“A refrigeração é o estrangulamento no desenvolvimento de chips informáticos”, afirma Behnood Bazmi, engenheiro mecânico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC).

Para resolver este problema, engenheiros da UIUC, em colaboração com a empresa de fabrico norte-americana Fabric8Labs, conceberam um inovador sistema de refrigeração direta no chip, composto por placas de cobre fixadas aos chips informáticos.

Estas placas possuem “aletas”, ou saliências que se projetam para aumentar o contacto com o líquido de refrigeração circulante e melhorar a eficiência da transferência de calor.

Enquanto as placas frias convencionais recorrem frequentemente a aletas de formas simples, como retângulos ou cones, as aletas criadas neste caso têm arestas irregulares e pontas afiadas para ampliar a área de superfície.

Otimização topológica e fabrico ECAM

Os investigadores recorreram a uma técnica denominada otimização topológica para conceber formas mais eficientes na transferência de calor. O processo começa com um retângulo básico, cuja forma é posteriormente modificada por um algoritmo matemático ao longo de várias iterações.

Em cada etapa, são calculadas as suas propriedades de refrigeração e a energia necessária para fazer o fluido atravessá-la, sendo o desenho aperfeiçoado através de tentativa e erro virtual.

Esta técnica ajuda a reduzir o problema de compromisso térmico-hidráulico. Aletas melhoradas diminuem a queda de pressão, reduzindo a potência necessária para bombear os fluidos de refrigeração através da estrutura.

“A otimização topológica acaba por convergir para um desenho ideal, que maximiza o desempenho térmico e minimiza a potência de bombagem”, explica Nenad Miljkovic, engenheiro mecânico da UIUC.

No entanto, este desenho cria outro desafio: as aletas de geometria complexa são mais difíceis de fabricar. Do mesmo modo, embora o cobre seja um metal multifuncional com boa condutividade térmica, não se adapta particularmente bem a métodos de fabrico como a impressão 3D convencional.

Por esse motivo, projetos anteriores de placas frias foram produzidos em liga de alumínio ou aço inoxidável, materiais com propriedades térmicas menos favoráveis.

À procura de uma solução, os investigadores estabeleceram parceria com a Fabric8Labs, empresa sediada em San Diego, para fabricar as placas frias de cobre através de uma técnica emergente chamada fabrico aditivo eletroquímico (ECAM).

Ao contrário do fabrico subtrativo, que remove material até obter a forma pretendida, o fabrico aditivo - como a impressão 3D - constrói as peças através da deposição de sucessivas camadas de material.

Em vez de fundir o cobre, o ECAM utiliza revestimento eletroquímico para criar as placas de cobre camada a camada.

“O ECAM consegue fabricar peças de cobre puro com pormenores muito finos - entre 30 e 50 micrómetros, menos do que a largura de um cabelo humano”, diz Miljkovic.

Menos energia de refrigeração nos centros de dados

Segundo os investigadores, as placas resultantes, feitas de cobre puro e dotadas de aletas pontiagudas e irregulares, resolvem dois dos problemas importantes referidos anteriormente.

Em primeiro lugar, podem proporcionar até 32 por cento mais refrigeração do que as placas convencionais com aletas retangulares simples. Em segundo, conseguem reduzir a queda de pressão em até 68 por cento, mantendo o mesmo nível de refrigeração.

Os investigadores estimam ainda que a integração desta tecnologia de placas frias num centro de dados inteiro, de “alta densidade e de próxima geração”, poderia reduzir os custos de refrigeração para apenas 1,1 por cento do consumo total de energia.

Como termo de comparação, os métodos convencionais de refrigeração por ar representam atualmente cerca de 30 por cento do consumo energético de um centro de dados.

As utilizações futuras não terão necessariamente de se limitar aos centros de dados, nem sequer a aplicações eletrónicas: “O nosso processo de trabalho pode ser aplicado a uma ampla variedade de desafios de refrigeração em diferentes escalas de comprimento”, conclui Bazmi.

Esta investigação foi publicada na revista Cell Reports Physical Science.