با افزایش مداوم تقاضا برای هوش مصنوعی (AI) و خدمات رایانش ابری (Cloud computing services)، مراکز داده (Data centers) در حال بزرگتر شدن، افزایش تعداد و پرمصرفتر شدن از نظر انرژی هستند.
با توجه به تمام سرورها (Servers)، دستگاههای ذخیرهسازی (Storage devices) و سایر تجهیزات فناوری اطلاعات (IT equipment) که آنها برای پردازش، تجزیهوتحلیل و انتقال دادهها استفاده میکنند، این موضوع جای تعجبی ندارد.
در ایالات متحده، مصرف انرژی سرورها بین سالهای ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۳ بیش از سه برابر شده است و بر اساس پیشبینیها، ممکن است تا سال ۲۰۲۸ دوباره دو یا حتی سه برابر شود و تا ۱۲ درصد از بار شبکه برق (Grid load) کشور را به خود اختصاص دهد.
و این مصرف تنها مربوط به خود فرآیند رایانش (Computing) نیست: تقریباً نیمی از مصرف انرژی یک مرکز داده ناشی از سرمایش (Cooling) و فعالیتهای جانبی (Auxiliary activities) است.
بنابراین، مهندسان اکنون نوع جدید و کارآمدتری از سیستم خنککننده (Cooling system) را توسعه دادهاند: یک صفحه سرد (Cold plate) از جنس مس خالص با نوکهای دندانهدار برجسته که به تراشههای کامپیوتری (Computer chips) متصل میشود.
جالب اینجاست که در طراحی آن از هوش مصنوعی کمک گرفته شده است.
اما این سیستم جدید چگونه کار میکند؟
در نیمقرن گذشته، استفاده از هوای در حال گردش (Circulating air) برای خنک کردن تراشههای کامپیوتری (Computer chips) بسیار رایج بوده است. اما از آنجا که تراشههای کامپیوتری مدرن قدرتمندتر میشوند، گرمای بیشتری تولید میکنند و هوای در حال گردش دیگر برای دفع این گرما کافی نیست.
بنابراین، یک خنککننده مایع در حال گردش (Circulating liquid coolant) که چگالی بیشتری نسبت به هوا دارد، ممکن است در جلوگیری از گرم شدن بیش از حد (Overheating) مؤثرتر باشد.
برای درک بهتر، به همین دلیل است که پریدن در استخر در یک روز گرم میتواند شما را به طور مؤثری خنک کند، حتی اگر آب نیز تا حدودی گرم باشد.
بهنود بزمی (Behnood Bazmi)، مهندس مکانیک (Mechanical engineer) در دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین (UIUC)، میگوید: «سرمایش، گلوگاهِ (Bottleneck) طراحی تراشههای کامپیوتری است.»
برای رفع این مشکل، مهندسان دانشگاه ایلینوی (UIUC) با همکاری شرکت تولیدی فابریکایتلبز (Fabric8Labs) مستقر در ایالات متحده، یک سیستم خنککننده مستقیم روی تراشه (Direct-to-chip cooling system) نوین طراحی کردند که از صفحات مسی (Copper plates) متصل به تراشههای کامپیوتری تشکیل شده است.
این صفحات دارای «پرهها» (Fins) یا برآمدگیهایی (Projections) هستند که برای افزایش تماس با خنککننده در حال گردش و بهبود بازده انتقال حرارت (Heat transfer efficiency) بیرون زدهاند.
در حالی که صفحات سرد متداول (Conventional cold plates) اغلب از پرههایی با اشکال ساده مانند مستطیل یا مخروط استفاده میکنند، پرههای طراحیشده در اینجا دارای لبههای دندانهدار (Jagged edges) و نوکهای تیز (Pointy tips) هستند تا مساحت سطح (Surface area) را افزایش دهند.
پژوهشگران از تکنیکی به نام بهینهسازی توپولوژی (Topology optimization) برای طراحی اشکال کارآمدتر جهت انتقال حرارت استفاده کردند. این تکنیک با یک مستطیل پایه آغاز میشود و سپس از یک الگوریتم ریاضی (Mathematical algorithm) برای تغییر شکل آن در طول تکرارهای متعدد استفاده میکند.
ویژگیهای سرمایشی آن و میزان انرژی مورد نیاز برای راندن سیال (Fluid) از میان آن، هر بار محاسبه شده و از طریق آزمون و خطای مجازی (Virtual trial-and-error) بهبود مییابد.
این تکنیک به کاهش مشکل مصالحه حرارتی-هیدرولیکی (Thermal-hydraulic trade-off) کمک میکند. پرههای بهبودیافته افت فشار (Pressure drop) را کاهش میدهند و در نتیجه توان مورد نیاز برای پمپاژ سیالات خنککننده (Cooling fluids) از درون ساختار را پایین میآورند.
نناد میلیکوویچ (Nenad Miljkovic)، مهندس مکانیک در دانشگاه ایلینوی (UIUC)، توضیح میدهد: «بهینهسازی توپولوژی در نهایت به یک طراحی همگرا میشود که در به حداکثر رساندن عملکرد حرارتی (Thermal performance) و به حداقل رساندن توان پمپاژ (Pumping power) در بهینهترین حالت ممکن قرار دارد.»
با این حال، این طراحی مشکل دیگری را به همراه دارد: تولید پرههایی با شکلهای پیچیده (Intricately shaped fins) دشوارتر است. به طور مشابه، فلز چندمنظوره مس (Multi-functional metal copper) دارای رسانایی حرارتی (Thermal conductivity) مطلوبی است، اما برای روشهای ساخت مانند چاپ سهبعدی متداول (Conventional 3D printing) چندان مناسب نیست.
در نتیجه، طراحیهای پیشین صفحات سرد (Cold plate designs) از آلیاژ آلومینیوم (Aluminum alloy) یا فولاد ضدزنگ (Stainless steel) ساخته میشدند که ویژگیهای حرارتی (Thermal properties) ضعیفتری از خود نشان میدهند.
پژوهشگران برای یافتن یک راهحل، با شرکت تولیدی فابریکایتلبز (Fabric8Labs) مستقر در سن دیگو همکاری کردند تا صفحات سرد مسی (Copper cold plates) را با استفاده از یک تکنیک نوظهور به نام ساختوتولید افزایشی الکتروشیمیایی (Electrochemical additive manufacturing - ECAM) تولید کنند.
برخلاف ساختوتولید کاهشی (Subtractive manufacturing) که مواد را برای رسیدن به اشکال دلخواه تراش میدهد، ساختوتولید افزایشی (Additive manufacturing) (مانند چاپ سهبعدی (3D printing)) آنها را از طریق قرار دادن لایههای متوالی از مواد روی هم میسازد.
روش ECAM به جای ذوب کردن مس، از آبکاری الکتروشیمیایی (Electrochemical plating) برای ساخت لایه به لایه صفحات مسی استفاده میکند.
میلیکوویچ میگوید: «روش ECAM میتواند قطعات مس خالص (Pure copper) را با جزئیات بسیار ظریف تولید کند - تا حد ۳۰ تا ۵۰ میکرومتر، که کمتر از ضخامت یک تار موی انسان است.»
پژوهشگران میگویند صفحات مس خالص بهدستآمده، با پرههای نوکتیز و دندانهدار خود، راهکاری برای دو مورد از مشکلات مهم ذکرشده در بالا ارائه میدهند.
نخست اینکه، آنها میتوانند تا ۳۲ درصد سرمایش بهتری نسبت به صفحات متداول با پرههای مستطیلی ساده ارائه دهند. دوم اینکه، میتوانند ضمن ارائه همان سطح از سرمایش، افت فشار (Pressure drop) را تا ۶۸ درصد کاهش دهند.
پژوهشگران همچنین تخمین میزنند که استفاده از این فناوری صفحه سرد (Cold plate technology) در سراسر یک مرکز داده (Data center) «با تراکم بالا و نسل بعدی» (High-density, next-generation) میتواند هزینههای سرمایش آن را به تنها ۱.۱ درصد از کل مصرف انرژی کاهش دهد.
برای مقایسه، روشهای متداول سرمایش با هوا (Conventional air-cooling methods) در حال حاضر حدود ۳۰ درصد از مصرف انرژی یک مرکز داده را به خود اختصاص میدهند.