Intel se sumerge en el futuro de la refrigeración

Extender la Ley de Moore significa colocar más transistores en un circuito integrado y, cada vez más, agregar más núcleos. Si lo hace, mejora el rendimiento, pero requiere más energía.

Durante la última década, Intel calcula que ha ahorrado 1000 teravatios hora de electricidad gracias a las mejoras que sus ingenieros han realizado en los procesadores. Estos avances se complementan con tecnologías de enfriamiento (ventiladores, enfriadores de interior, enfriamiento directo al chip) que administran aún más el calor, conservan energía y reducen las emisiones de carbono.

Estas funciones de refrigeración requieren  hasta un 40 % del consumo de energía de un centro de datos . Dado que Intel busca aumentar el rendimiento en el futuro, las mejoras deben lograrse de manera eficiente desde el punto de vista energético, y es posible que la refrigeración por aire no sea la solución.

Afortunadamente, Intel está trabajando con la industria de refrigeración líquida, desde proveedores de tanques hasta proveedores de fluidos y sus propios laboratorios, para crear soluciones innovadoras en las que los componentes informáticos estén en contacto directo con un fluido conductor de calor. Algunas de las soluciones parecen directamente en el ámbito de la ciencia ficción, como cámaras de vapor 3D incrustadas en disipadores de calor en forma de coral. O diminutos chorros, ajustados por inteligencia artificial, que disparan agua fría sobre los puntos calientes del chip para eliminar el calor. Todos están siendo explorados en los laboratorios térmicos de Intel.

Disrupción en el centro de datos

Según un estudio de la Agencia Internacional de Energía de 2022, el uso de electricidad del centro de datos global en 2021 fue de 220 a 320 teravatios hora, o alrededor del 0,9% al 1,3% de la demanda global de electricidad. 

Los aumentos en el uso de energía por parte de los centros de datos y las supercomputadoras más importantes del mundo han llevado la refrigeración líquida de la fantasía a la tecnología marginal al borde de la corriente principal.

Intel ha estado apoyando la refrigeración por inmersión durante más de una década, y por una buena razón: el camino hacia los centros de datos sostenibles y las supercomputadoras a exaescala requiere una revolución en la refrigeración para acomodar procesadores más potentes.

«Intel: ‘Ahora es el momento’ para la refrigeración por inmersión»,  decía un titular de Data Center Frontier del 26 de octubre de 2022. En la Open Compute Summit de ese día, Zane Ball de Intel habló sobre el creciente enfoque en la refrigeración por inmersión y anunció que Intel asociarse con Open Compute Project y proveedores de refrigeración para desarrollar estándares que hagan que la tecnología sea más accesible.

“La gente ha hablado sobre la refrigeración líquida durante mucho tiempo”, dijo Ball, vicepresidente corporativo y director general de Ingeniería y Arquitectura del Centro de Datos. “Siempre es lo que vamos a hacer en el futuro. Creemos que hemos llegado a un momento en el que la refrigeración líquida debe desempeñar un papel mucho más importante en el centro de datos”.

En 2021, Intel  anunció  una colaboración con  Submer , un líder de la industria en refrigeración por inmersión, para trabajar en los procesadores Intel® Xeon® refrigerados por Submer en los centros de datos. En enero de 2022, Intel  anunció  un acuerdo con  Green Revolution Cooling  (GRC) para diseñar e implementar técnicas de refrigeración por inmersión de vanguardia personalizadas en futuros centros de datos e implementaciones de borde. También en 2022, Intel entregó la primera cláusula adicional de garantía de inmersión de la industria  para  los procesadores Intel Xeon y ganó sus primeros acuerdos de sostenibilidad frente a la competencia con grandes clientes globales, incluidos Microsoft y Alibaba.

La sustentabilidad impulsa el diseño

El enfriamiento por inmersión es parte de los compromisos de cero neto de Intel. Hasta el 99 % del calor generado por los equipos de TI puede capturarse en forma de agua u otro líquido refrigerante. En lugar de requerir ventiladores, el calor pasa al fluido, que luego circula para disipar la energía, como un sistema de aire acondicionado. Ese calor puede incluso aprovecharse y reutilizarse según sea necesario.

“El enfriamiento por inmersión es una tecnología disruptiva”, dijo Jen Huffstetler, directora de sustentabilidad de productos en el Centro de datos e IA de Intel (DCAI). “Esta tecnología no solo aborda algunos de los desafíos más grandes del centro de datos, al reducir el uso de energía y agua, sino que también ayuda a nuestros clientes a mejorar el TCO (costo total de propiedad) al tiempo que mejora la densidad informática general”.

Las soluciones disruptivas deben ser innovadoras, pero también listas para el mercado, ejecutables y comprobables. Intel se asociará con empresas emergentes y líderes académicos en estas tecnologías, con el objetivo de desarrollar soluciones abiertas durante los próximos cinco años que Intel, y el mundo, puedan utilizar para reducir la huella energética de los centros de datos.

Nuevos Materiales y Estructuras para Refrigeración

Los investigadores de Intel están desarrollando soluciones novedosas para satisfacer las necesidades de administración térmica y de energía de las arquitecturas de próxima generación, incluidos dispositivos de hasta 2 kilovatios.

Entre las soluciones que están buscando están las cámaras de vapor 3D (bolsillos metálicos planos y sellados llenos de fluido) para distribuir la capacidad de ebullición utilizando un espacio mínimo y recubrimientos mejorados para mejorar la ebullición, que reducen la resistencia térmica al promover una alta densidad del sitio de nucleación (donde las burbujas de vapor forma sobre una superficie metálica).

La ebullición es uno de los métodos más efectivos para enfriar dispositivos electrónicos de alta potencia y mantener una distribución de temperatura uniforme. Los recubrimientos de mejora de la ebullición fabricados con materiales avanzados pueden facilitar una ebullición nucleada efectiva. Hoy en día, estos se aplican sobre una superficie plana, pero la investigación muestra que un diseño de disipador de calor similar al coral con características similares a ranuras internas tiene el potencial más alto para los coeficientes de transferencia de calor externa con enfriamiento por inmersión de dos fases.

Intel prevé estas cavidades de cámara de vapor 3D de resistencia térmica ultrabaja integradas dentro de disipadores de calor de refrigeración por inmersión en forma de coral creados mediante fabricación aditiva.

Otro enfoque que están siguiendo los investigadores de Intel utiliza conjuntos de chorros de fluido para enfriar los dispositivos de mayor potencia. A diferencia de los disipadores de calor típicos o las placas frías tradicionales que pasan fluido sobre una superficie, los chorros de enfriamiento dirigen el fluido directamente hacia la superficie. La tapa térmica que contiene los surtidores se puede unir directamente a la parte superior de un paquete con tapa estándar, lo que elimina el material de interfaz térmica y reduce la resistencia térmica. Dado que los módulos de chips múltiples se vuelven cada vez más difíciles de enfriar, esta tecnología se puede personalizar para cada construcción y puede dirigirse a los puntos calientes de manera efectiva, lo que permite que el procesador funcione a una temperatura más baja con un aumento del rendimiento del 5% al ​​7% para la misma potencia. 

Desde los diseños de sus procesadores hasta el nivel del sistema del centro de datos, Intel se mantiene enfocado en extender la Ley de Moore mientras aumenta la eficiencia energética.

“Habilitar e innovar tecnologías térmicas agresivas y escalables es la necesidad del momento para alinearse con el aumento exponencial de energía esperado por los procesadores durante la próxima década”, dijo Tejas Shah, arquitecto térmico principal del grupo de plataformas de supercómputo de Intel. “Intel está a la vanguardia en la mejora y estandarización de esta tecnología, que es existencialmente importante para nuestro futuro”.