Przełomowe badania w dziedzinie chłodzenia centrów AI

Japońsko-niemiecki zespół badawczy przedstawił rozwiązanie do biernego chłodzenia centrów AI. System ten może być skalowalny i rozwiązać podstawowy problem ogromnego zapotrzebowania na energię tych centrów danych.

Naukowcy z Instytutu Technologii KIT w Karlsruhe i Uniwersytetu Tsukuba opublikowali artykuł w czasopiśmie Nature Energy, w którym opisali konstrukcję technologii chłodzenia półprzewodnikowego, która nie wymaga zasilania elektrycznego, mimo tego wykazano redukcję temperatury w eksperymentach laboratoryjnych.

Chłodzenie półprzewodnikowe jest alternatywą dla tradycyjnego chłodzenia sprężarkowego wykorzystującego czynniki chłodnicze, często szkodliwe dla środowiska i pochłaniające wielkie ilości energii elektrycznej. Systemy półprzewodnikowe nie działają na zasadzie sprężenia i rozprężenia gazu roboczego a wykorzystania materiałów termoelektrycznych, które po zasileniu energią elektryczną mogą generować różnice temperatur. Są one przy tym niewielkie i łatwe do instalacji.

Jednak jest z nimi pewien problem – przez cały czas potrzebują energii i są o 25% średnio mniej wydajne niż nowoczesne układy chłodzenia sprężarkowego.

Tymczasem w ciągu ostatniej dekady pojawiło się chłodzenie elastokaloryczne, oparte na stopach z pamięcią kształtu, które mogą zmienić temperaturę pod wpływem obciążenia mechanicznego, zaś odciążane są poprzez przemianę fazową. I właśnie tymi materiałami zajął się zespół japońsko-niemiecki.

Pierwszym problemem, jaki się przednimi pojawił, był fakt, iż choćby układy elastokaloryczne przez cały czas wymagały energii elektrycznej do zmiany kształtu stosowanych stopów, jako iż do tych zadań potrzebne były sporej wielkości siłowniki. Naukowcy wpadli na pomysł, żeby energię mechaniczną zastąpić cieplną generowaną przez komputer lub serwer. W tym celu wykorzystano parę supercienkich folii niklowo-tytanowych. Jedna folia kurczy się pod wpływem ciepła generując ruch, co oznacza, iż jest swoim własnym siłownikiem, ponieważ przekłada ciepło na energię mechaniczną. Ta energia jest przekazywana do drugiej folii, która jest obciążana i rozładowywana, co oznacza wywołanie przejścia fazowego wywołującego efekty chłodzenia.

Testy laboratoryjne wykazały, iż zestaw ten działa nie tylko w teorii, ale i w urządzeniu testowym, choć należy dopracować zakres działania wpływający na otrzymywane temperatury. w tej chwili działa ono choćby dla pojedynczej pary warstw, gdzie otrzymano różnicę równą 4 st. C, co nie jest wiele, ale dla stosu składającego się z kilku tysięcy warstw chłodzenie byłoby zapewnione choćby przy działaniu zewnętrznego źródła ciepła o temperaturze 130°C.

„Dla nas decydującym momentem było zobaczenie po raz pierwszy mierzalnego chłodzenia generowanego przez system napędzany ciepłem. To pokazało nam, iż zasada ta nie działa tylko na papierze” – tak opisał dla mediów projekt doktorant KIT i główny autor publikacji Yi-Ting Hsiau w komunikacie opublikowanym przez uniwersytet.

Obecnie zespół będzie budował większe jednostki eksperymentalne w celu optymalizacji wydajności chłodzenia.

„Wierzymy, iż to dopiero początek. Rozwijając tę ​​technologię dążymy do opracowania kompaktowych systemów chłodzenia, które wykorzystują liczne źródła ciepła do zrównoważonego schładzania” – powiedział Jingyuan Xu, kierownik laboratorium termicznego ZEco w KIT, zajmującego się bezemisyjnymi i ekologicznymi technologiami ogrzewania i chłodzenia.

Samym projektem już interesują się największe firmy z branży IT, bo działający system nie wykorzystujący czynnika chłodzącego, wody i energii elektrycznej jest dokładnie tym, czego potrzebują do chłodzenia obiektów, takich jak centra danych. Tym bardziej, iż pojawia się problem wykorzystywania przez te centra nieprawdopodobnych ilości wody, porównywalnych do wody wykorzystywanej w trakcie frackingu, czyli wydobycia ropy i gazu ziemnego z łupków.

Dodając zmiany klimatyczne chłodzenie elektroniki i ludzi staje się jeszcze większym problemem. Według grupy IRENA ogrzewanie i chłodzenie łącznie odpowiadają w tej chwili za ponad 40% globalnej emisji dwutlenku węgla związanej z energetyką. Tymczasem rozwiązanie problemu zużycia energii i wody w centrach danych w dużej mierze zależy od znalezienia sposobu na utrzymanie niskiej temperatury systemów.

System grupy japońsko-niemieckiej mógłby się więc okazać dla takich prac przełomem. Mimo iż jego cena na początku byłaby wyższa niż systemu sprężarkowego. Za to prawdopodobnie koszty utrzymania i środowiskowe byłyby niższe.