Las placas frías de cobre podrían reducir drásticamente el consumo de energía de los centros de datos

Ingenieros mecánicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (Estados Unidos) han diseñado una tecnología más eficaz y eficiente energéticamente para la refrigeración de chips informáticos. En un artículo publicado en 'Cell Reports Physical Science' de Cell Press, los investigadores utilizaron un algoritmo matemático y un método avanzado de impresión 3D para producir placas de refrigeración de cobre puro que superaron a las placas convencionales y requirieron menos energía para funcionar.

Según las estimaciones de los investigadores, si se utilizara para refrigerar un centro de datos completo, esta tecnología representaría solo alrededor del 1,1% del consumo energético total del centro, en comparación con más del 30% de los métodos de refrigeración por aire convencionales.

"La refrigeración es el principal obstáculo en el diseño de chips informáticos", aclara el primer autor, Behnood Bazmi, ingeniero mecánico de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. "Al salvar la brecha entre el diseño computacional y la capacidad de fabricación, nuestro enfoque ofrece una vía para una refrigeración líquida más eficiente energéticamente de chips y otros componentes electrónicos".

Los chips de computadora son cada vez más potentes, lo que significa que generan más calor. Esto, sumado al aumento de los centros de datos, está ejerciendo presión sobre la red eléctrica; se prevé que para 2028, los centros de datos consumirán hasta el 12% de la carga de la red nacional en Estados Unidos. Durante los últimos 40 o 50 años, los chips de computadora se han refrigerado mediante la circulación de aire, pero este no es suficiente para disipar el calor que producen los chips modernos. Según los investigadores, la refrigeración líquida directa al chip podría ofrecer una solución más eficaz.

Los sistemas de refrigeración directa al chip consisten en una placa fría adherida al chip de la computadora. Estas placas frías cuentan con aletas metálicas densamente empaquetadas que se proyectan hacia el líquido refrigerante para maximizar la superficie en contacto con el refrigerante. Algunos sistemas de refrigeración líquida directa al chip ya están disponibles comercialmente, pero priorizan el costo de fabricación sobre el rendimiento. En este estudio, los investigadores se propusieron optimizar el diseño de las aletas para diseñar placas frías con la máxima capacidad de refrigeración.

El equipo empleó una técnica llamada optimización topológica para diseñar aletas con una forma óptima. Partiendo de un diseño rectangular simple, la optimización topológica utiliza un algoritmo matemático para modificar gradualmente la forma de la aleta. En cada iteración del diseño, el algoritmo estima la capacidad de refrigeración y la cantidad de energía necesaria para bombear el refrigerante a través de las aletas.

"La optimización topológica acaba convergiendo en un diseño que es óptimo para maximizar el rendimiento térmico y minimizar la potencia de bombeo", comenta el autor principal e ingeniero mecánico Nenad Miljkovic, de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Con puntas afiladas y bordes dentados, las aletas resultantes son mucho más complejas que las convencionales, que suelen ser simples rectángulos, conos o cilindros. Dado que este diseño sería demasiado difícil de fabricar con técnicas convencionales, el equipo colaboró con la empresa Fabric8 para utilizar un método de fabricación avanzado llamado fabricación aditiva electroquímica (ECAM) y producir placas de cobre con aletas optimizadas. En lugar de fundir el cobre, la ECAM se basa en el recubrimiento electroquímico para depositar el cobre y construir las aletas capa a capa, de abajo hacia arriba.

El cobre puro tiene una alta conductividad térmica, pero es difícil de imprimir en 3D, por lo que la mayoría de las placas de refrigeración están hechas de una aleación de aluminio (AlSiMg) o acero inoxidable, materiales que no son óptimos para la transferencia de calor. "ECAM puede fabricar piezas de cobre puro con un nivel de detalle muy fino, de entre 30 y 50 micrómetros, menos del grosor de un cabello humano", expone Miljkovic.

Al comparar el rendimiento de refrigeración de una placa fría de cobre con aletas optimizadas con el de placas frías con aletas rectangulares convencionales, los investigadores descubrieron que la placa optimizada ofrecía una refrigeración hasta un 32% superior y reducía la caída de presión (menor esfuerzo para impulsar el fluido a través de la placa fría) hasta en un 68%, manteniendo el mismo rendimiento de refrigeración. Según los investigadores, a nivel de un centro de datos completo, esto se traduciría en un ahorro energético significativo en comparación con los sistemas de refrigeración por aire y los sistemas de refrigeración líquida disponibles comercialmente.

Por ejemplo, un centro de datos con 1 gigavatio (GW) de potencia de cálculo consume alrededor de 550 megavatios para el funcionamiento de un sistema de refrigeración por aire, lo que significa que consume un total de 1,55 GW de energía, pero solo 1 GW se utiliza para funciones como ChatGPT, búsquedas y almacenamiento. "Con nuestras placas de refrigeración, los centros de datos solo necesitarían 11 megavatios para la refrigeración en lugar de 550 megavatios", detalla Miljkovic.

Según los investigadores, este sistema de optimización y fabricación podría ampliarse para diseñar sistemas de refrigeración optimizados para otras aplicaciones electrónicas y no electrónicas. "Nuestro flujo de trabajo se puede aplicar a una amplia gama de desafíos de refrigeración en diferentes escalas", finaliza Bazmi.