وجد المهندسون طريقة عبقرية لخفض استخدام الطاقة في مراكز البيانات: ScienceAlert

مع بشكل مستمر زيادة الطلب بالنسبة لخدمات الذكاء الاصطناعي والحوسبة السحابية، تنمو مراكز البيانات بشكل أكبر وأكثر عددًا المزيد من المتعطشين للطاقة.

فلا عجب، مع كل الخوادم وأجهزة التخزين ومعدات تكنولوجيا المعلومات الأخرى يستخدمونها لمعالجة البيانات وتحليلها ونقلها.

في الولايات المتحدة، تضاعف استخدام طاقة الخوادم أكثر من ثلاثة أضعاف بين عامي 2014 و2023، وقد يتضاعف أو حتى ثلاثة أضعاف مرة أخرى بحلول عام 2028، وهو ما يمثل ما يصل إلى 12 بالمائة من أحمال الشبكة في البلاد. وفقا للتوقعات.

ولا يقتصر الأمر على الحوسبة نفسها فحسب: فحوالي نصف استهلاك الطاقة في مركز البيانات يأتي من التبريد والأنشطة المساعدة.

لذلك، قام المهندسون الآن بتطوير نوع جديد وأكثر كفاءة من نظام التبريد: لوحة باردة من النحاس النقي، مع أطراف متعرجة، يتم توصيلها برقائق الكمبيوتر.

ومن المناسب أن يكون تصميمه مدعومًا بالذكاء الاصطناعي.

إذن كيف يعمل هذا النظام الجديد؟

لقد تم استخدام الهواء المتدفق بشكل شائع لتبريد رقائق الكمبيوتر خلال نصف القرن الماضي. ولكن مع ازدياد قوة رقائق الكمبيوتر الحديثة، فإنها تولد المزيد من الحرارة، و لم يعد الهواء المنتشر كافيًا لإبعاد تلك الحرارة.

ولذلك، أ تعميم المبرد السائل، وهو أكثر كثافة من الهواء، قد يكون أكثر فعالية في منع ارتفاع درجة الحرارة.

من أجل المنظور، هذا هو السبب في أن القفز إلى حمام السباحة في يوم دافئ يمكن أن يبردك بشكل فعال، حتى لو كان الماء دافئًا أيضًا.

“التبريد هو عنق الزجاجة في تصميم شرائح الكمبيوتر” يقول بهنود بازمي، مهندس ميكانيكي في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين (UIUC).

ولمعالجة ذلك، قام مهندسون من UIUC، بالتعاون مع شركة تصنيع مقرها الولايات المتحدة Fabric8Labs, ابتكر نظام تبريد جديدًا مباشرًا للرقاقة يتكون من ألواح نحاسية متصلة برقائق الكمبيوتر.

تحتوي هذه اللوحات على “زعانف” أو نتوءات تبرز لزيادة التلامس مع المبرد المنتشر وتعزيز كفاءة نقل الحرارة.

في حين أن الألواح الباردة التقليدية غالبًا ما تستخدم زعانف بأشكال بسيطة مثل المستطيلات أو المخاريط، فإن الزعانف المصممة هنا لها حواف خشنة وأطراف مدببة لزيادة مساحة السطح.

استخدم الباحثون تقنية تسمى تحسين الطوبولوجيا لتصميم أشكال أكثر كفاءة في الحركة الحرارية. تبدأ هذه التقنية بمستطيل أساسي ثم تستخدم خوارزمية رياضية لتغيير شكله من خلال تكرارات متعددة.

يتم حساب خصائص التبريد الخاصة به، ومقدار الطاقة المطلوبة لدفع السائل عبره، في كل مرة ويتم صقلها من خلال التجربة والخطأ الافتراضي.

تساعد هذه التقنية على التخفيف من مشكلة المفاضلة الحرارية والهيدروليكية. تعمل الزعانف المحسنة على تقليل انخفاض الضغط، مما يقلل من الطاقة المطلوبة لضخ سوائل التبريد عبر الهيكل.

“ينتهي تحسين الطوبولوجيا بالتقارب مع التصميم الأمثل في زيادة الأداء الحراري إلى الحد الأقصى وتقليل طاقة الضخ.” يشرح نيناد ميليكوفيتش، مهندس ميكانيكي في UIUC.

ومع ذلك، فإن هذا التصميم يمثل مشكلة أخرى: حيث يصعب تصنيع الزعانف ذات الشكل المعقد. وبالمثل، فإن النحاس المعدني متعدد الوظائف تتمتع بموصلية حرارية مناسبة ولكنها لا تتناسب بشكل جيد مع طرق التصنيع مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية.

ونتيجة لذلك، فإن تصميمات الألواح الباردة السابقة كانت مصنوعة من سبائك الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي تظهر خصائص حرارية أقل ملاءمة.

بحثًا عن حل، تعاون الباحثون مع شركة التصنيع Fabric8Labs، ومقرها في سان دييغو، لإنشاء ألواح النحاس الباردة باستخدام تقنية ناشئة تسمى تصنيع المواد المضافة الكهروكيميائية (إيكام).

على النقيض من التصنيع الطرحي، الذي يقلل المواد إلى الأشكال المرغوبة، فإن التصنيع الإضافي (مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد) يبنيها عن طريق وضع طبقات متتالية من المواد.

بدلاً من صهر النحاس، تستخدم ECAM الطلاء الكهروكيميائي لبناء الألواح النحاسية طبقة تلو الأخرى.

“يمكن لشركة ECAM تصنيع أجزاء من النحاس النقي بتفاصيل دقيقة جدًا – يصل حجمها إلى 30 إلى 50 ميكرومترًا، أي أقل من عرض شعرة الإنسان.” يقول ميليكوفيتش.

يقول الباحثون إن الصفائح النحاسية النقية الناتجة، مع زعانفها المدببة والخشنة، توفر حلاً لاثنين من المشكلات المهمة المذكورة أعلاه.

أولاً، يمكن أن توفر تبريدًا أفضل بنسبة تصل إلى 32 بالمائة من الألواح التقليدية ذات الزعانف المستطيلة البسيطة. ثانيًا، يمكنها تقليل انخفاض الضغط بنسبة تصل إلى 68 بالمائة مع تقديم نفس مستوى التبريد.

الباحثون أيضا تقدير أن دمج تقنية اللوحة الباردة هذه عبر مركز بيانات “عالي الكثافة من الجيل التالي” بأكمله يمكن أن يخفض تكاليف التبريد إلى 1.1 بالمائة فقط من إجمالي استخدام الطاقة.

وللمقارنة، تمثل طرق تبريد الهواء التقليدية حاليًا حوالي 30 بالمائة من استخدام الطاقة في مركز البيانات.

متعلق ب: تظهر الدراسة أن رقائق الكمبيوتر “ثلاثية الأبعاد” الجديدة يمكن أن توسع قانون مور

لا يجب أن تقتصر الاستخدامات المستقبلية على مراكز البيانات، أو حتى التطبيقات الإلكترونية: “يمكن تطبيق سير العمل لدينا على مجموعة واسعة من تحديات التبريد عبر مقاييس طول مختلفة،” يخلص حزب.

وقد نشر هذا البحث في تقارير الخلية العلوم الفيزيائية.