COOLERCHIPS — это одна из инициатив, разрабатывающих инновационные технологии охлаждения, которые могут улучшить охлаждение центров обработки данных, снизить потребление энергии и продлить срок службы электронных компонентов.
Учитывая тот факт, что каждую секунду на каждого жителя планеты приходится 1,7 мегабайта данных , можно справедливо сказать, что получать информацию стало проще, чем когда-либо прежде. Однако по мере того, как сбор данных становится все проще и проще, на поверхность выходят новые проблемы. Поскольку предполагаемое потребление электроэнергии в центрах обработки данных в 2022 году достигнет ошеломляющих 240–340 тераватт-часов (ТВтч) , что составит примерно от 1% до 1,3% мирового конечного спроса на электроэнергию, актуальность решения проблемы энергоэффективности в управлении данными никогда не была более очевидной. И здесь на помощь приходят концепции расчетной тепловой мощности (TDP) и методов охлаждения.
В этой статье мы проанализируем сложность теплового расчета, раскроем его значение, его далеко идущие последствия в сфере современной электроники и все достижения, которые формируют эту деятельность. От новаторских решений по охлаждению до энергоэффективных архитектурных проектов — в этой статье будут освещены волнующие инновации, которые неустанно раздвигают границы того, что может быть достигнуто в области теплового проектирования , включая инновации, возникающие в результате инициативы COOLERCHIPS, согласованной инициативы. усилия по расширению границ теплового проектирования и энергоэффективности в центрах обработки данных.
Расчетная тепловая мощность и индустрия данных
Расчетная тепловая мощность — это важнейшая характеристика, используемая при проектировании и маркетинге компьютерных процессоров, таких как центральные и графические процессоры, и, по сути, она представляет собой максимальное количество тепла, которое компонент может генерировать в нормальных условиях эксплуатации. Это значение обычно измеряется в ваттах и имеет ценность как для производителей, так и для пользователей, поскольку помогает определить подходящее решение для охлаждения, необходимое для поддержания температуры компонента в допустимых пределах.
История теплового проектирования в индустрии обработки данных — это путь, который уходит корнями в самые истоки электронных вычислений. Появление электронных компьютеров в середине 20-го века принесло с собой серьезную проблему: неустанное выделение тепла. В те первые дни электронные лампы были основными строительными блоками этих вычислительных машин. Они обещали невероятные возможности, но имели и существенный недостаток — они производили значительное количество тепла. Такие инженеры, как Джон Преспер Эккерт и Джон Мокли — архитекторы электронного числового интегратора и компьютера (ENIAC), первого электронного компьютера общего назначения, созданного в 1946 году, — были одними из первых, кто столкнулся с необходимостью сложных систем охлаждения, чтобы сохранить свою колоссальную мощность. машины от перегрева.
Вся картина изменилась с появлением транзисторов в конце 1940-х годов. Эти крошечные устройства стали настоящим открытием, поскольку они были значительно более энергоэффективными и теплостойкими, чем электронные лампы. Однако по мере того, как вычислительная мощность продолжала стремительно расти, росла и плотность транзисторов в интегральных схемах, что создавало новые сложности в управлении локализованными горячими точками.
В 1970-е годы наступила эра микропроцессоров, примером которых является Intel 4004. Хотя эти микропроцессоры принесли вычислительную мощность массам, они также выделяли значительное количество тепла. Такие провидцы, как Боб Нойс и Гордон Мур, соучредители Intel, приняли этот вызов. Они стали пионерами инновационных тепловых решений, в том числе радиаторов и вентиляторов, которые стали незаменимыми в борьбе с растущим уровнем тепла.
Пророческое предсказание Мура о законе Мура — удвоении количества транзисторов в микрочипе примерно каждые два года — привело к экспоненциальному прогрессу в области вычислений, но также означало постоянное увеличение выделения тепла. Это привело к возникновению движения «зеленых вычислений» в конце 20-го века, которое отстаивали такие деятели, как Урс Хёльцле из Google. Он положил начало эре энергоэффективных центров обработки данных с виртуализацией серверов и сложными методами охлаждения, такими как жидкостное охлаждение и естественное охлаждение.
XXI век принес новые вызовы. Высокопроизводительные вычисления, требования искусственного интеллекта и ненасытный аппетит к майнингу криптовалют создают беспрецедентную нагрузку на систему охлаждения. Такие новаторы, как Дэвид Рейнсел, и группа специалистов по центрам обработки данных вышли за рамки возможного, исследуя передовые технологии, такие как погружное охлаждение и системы управления температурным режимом на основе искусственного интеллекта.
В настоящее время тепловое проектирование остается основой работы центров обработки данных по всему миру.«Внедрение и внедрение агрессивных и масштабируемых тепловых технологий — это необходимость сегодняшнего дня, чтобы соответствовать экспоненциальному увеличению мощности процессоров, ожидаемому в следующем десятилетии», — сказал Теджас Шах, ведущий архитектор систем охлаждения, работающий в проектах Intel по охлаждению. Процессоры с более высокими значениями TDP, как правило, выделяют больше тепла, что требует более надежных решений для охлаждения, таких как более крупные радиаторы, жидкостное охлаждение или передовые методы управления температурным режимом. Это залог надежности, экономичности и снижения воздействия на окружающую среду . Пионеры, гениальные инженеры и неустанное стремление к инновациям вместе сформировали концепцию теплового проектирования в индустрии обработки данных.
TDP и иммерсивное охлаждение
Связь между TDP и иммерсивным охлаждением заключается в необходимости эффективного управления температурным режимом в высокопроизводительных вычислительных средах, таких как игровые установки и центры обработки данных. Технологии иммерсивного охлаждения, включая системы жидкостного охлаждения и охлаждение с фазовым переходом, предназначены для обеспечения более эффективного рассеивания тепла, чем традиционные методы воздушного охлаждения.
Внедрение технологии охлаждения оттисков знаменует собой сдвиг парадигмы в управлении центрами обработки данных. Традиционные методы охлаждения часто с трудом справляются с растущими требованиями современных вычислений, что приводит к увеличению потребления энергии и воды. Напротив, охлаждение оттисков предлагает революционный подход, который обещает смягчить эти проблемы. Это достигается за счет использования инновационных методов более эффективного рассеивания тепла, что приводит к существенному снижению энергопотребления.
«Охлаждение Impression — это преобразующая и прорывная технология», — сказала Джен Хаффстетлер, директор по устойчивому развитию продуктов Intel в отделе центров обработки данных и AI Group, подчеркнув ее глубокое влияние. «Эта революционная технология не только решает некоторые из наиболее насущных проблем в центрах обработки данных, включая снижение энергопотребления и использования воды, но также дает нашим клиентам возможность снизить совокупную стоимость владения, одновременно повышая общую плотность вычислений».
Основные проблемы, которые необходимо учитывать при реализации проектов эффективного охлаждения
Существует ряд проблем, которые необходимо учитывать в проектах по повышению эффективности охлаждения:
Миниатюризация и плотность тепла
Поскольку электронные устройства уменьшаются в размерах и увеличиваются в вычислительной мощности, они генерируют более высокую плотность тепла. Это явление, количественно выражаемое рассеиваемой мощностью на единицу площади (Вт/см²), представляет собой огромную проблему. Миниатюризация компонентов, таких как транзисторы, усугубляет эту проблему. Эффективный тепловой расчет должен включать в себя передовые методы охлаждения, такие как микроканальные радиаторы, термоэлектрические охладители и материалы с фазовым переходом, чтобы справиться с такой плотностью тепла.
Энергоэффективные системы охлаждения
Традиционные методы охлаждения, такие как принудительная конвекция (например, воздушное охлаждение) или естественная конвекция, часто приводят к значительному потреблению энергии. Передовые решения для охлаждения, включая тепловые трубы и двухфазные системы охлаждения, используют фазовые переходы (например, испарение и конденсацию) для повышения эффективности теплопередачи, существенно снижая потребление энергии.
Выбор материала
Теплопроводность, свойство материала, определяющее его способность проводить тепло, является важнейшим фактором при управлении температурным режимом. Инженеры часто выбирают такие материалы, как медь или алюминий, с высокими значениями теплопроводности в качестве радиаторов и материалов термоинтерфейса. Однако новые материалы, такие как углеродные нанотрубки и графеновые композиты, исследуются на предмет еще более высокой теплопроводности.
Распространение и рассеивание тепла
Достижение равномерного распределения тепла по компонентам и эффективное рассеивание имеют первостепенное значение. Теплораспределители, изготовленные из теплопроводящих материалов, предназначены для равномерного распределения тепла. Тепловые трубы, основанные на принципах фазового перехода, эффективно передают тепло от источников тепла к радиаторам. Программное обеспечение для теплового моделирования помогает оптимизировать эти конструкции.
Интеграция дизайна
Интеграция тепловых решений в конструкции устройств требует тщательного планирования. Моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) помогает оптимизировать воздушный поток и размещение компонентов, чтобы обеспечить эффективное рассеивание тепла без ущерба для функциональности устройства. Выбор материалов для изоляции и тепловых барьеров играет роль в предотвращении утечки тепла.
Переменные рабочие нагрузки
Многие системы испытывают динамические рабочие нагрузки, вызывающие колебания выделения тепла. Передовые решения по управлению температурным режимом включают в себя датчики и интеллектуальные системы управления, которые регулируют механизмы охлаждения, такие как скорость вентилятора или скорость потока жидкости, в режиме реального времени на основе данных о температуре и рабочей нагрузке.
Энергоэффективные алгоритмы
В центрах обработки данных и устройствах Интернета вещей (IoT) программное обеспечение играет ключевую роль в оптимизации энергопотребления. Алгоритмы распределения рабочей нагрузки и динамического масштабирования напряжения и частоты (DVFS) используются для балансировки производительности и энергопотребления. Методы машинного обучения используются для прогнозирования моделей рабочей нагрузки и оптимизации охлаждения.
Экологические соображения
Достижение энергоэффективности согласуется с целями устойчивого развития. Инженеры-термотехники стремятся разработать системы с низкой эффективностью использования энергии (PUE) в центрах обработки данных, эффективные системы подачи электроэнергии и стратегии повторного использования тепла для минимизации воздействия на окружающую среду.
Тестирование и проверка
Тщательные испытания необходимы для проверки тепловых расчетов. Экологические камеры имитируют реальные условия, а тепловизионные камеры дают бесценную информацию о распределении температуры. Вычислительные модели проверяются на основе экспериментальных данных для обеспечения точности.
Ограничения по стоимости
Хотя существуют передовые тепловые решения, их внедрение может быть дорогостоящим. Инженеры должны сопоставить преимущества снижения энергопотребления с первоначальными затратами на инновационные технологии охлаждения, принимая во внимание общую стоимость владения на протяжении всего срока службы системы.
Технологические достижения
Перспективные тепловые конструкции включают прогнозирование технологических достижений. Инженеры должны предвидеть изменения в плотности мощности, архитектуре устройств и методах охлаждения, чтобы обеспечить долгосрочную эффективность.
Междисциплинарное сотрудничество
Успех в тепловом проектировании часто зависит от междисциплинарного сотрудничества. Инженеры-электрики, материаловеды, специалисты по термодинамике и разработчики программного обеспечения должны эффективно сотрудничать, требуя точного взаимодействия и координации.
Представляем проекты COOLERCHIPS
Одним из ключевых проектов, находящихся на переднем крае этой технологической революции, является COOLERCHIPS , аббревиатура от Cooling Operations, оптимизированная для скачков в энергетике, надежности и сверхэффективности углерода для систем обработки информации. Инициатива COOLERCHIPS использует передовые инженерные принципы и новейшие технологии для переосмысления парадигмы охлаждения. Это влечет за собой разработку новых решений по охлаждению, которые не только снижают потребление энергии, но и повышают общую производительность инфраструктуры центров обработки данных.
Проекты COOLERCHIPS представляют собой серию инициатив, финансируемых Министерством энергетики США и управляемых Агентством перспективных исследовательских проектов в энергетике (ARPA-E), направленных на совершенствование систем охлаждения центров обработки данных.
Компания COOLERCHIPS выделила гранты на сумму 40 миллионов долларов США на 15 корпоративных и академических проектов. Эти проекты направлены на достижение как минимум десятикратного повышения эффективности охлаждения для решения растущих проблем с нагревом, создаваемых центрами обработки данных. Содействуя инновационным технологиям и подходам, COOLERCHIPS стремится снизить потребление энергии, снизить выбросы углекислого газа, а также повысить устойчивость и отказоустойчивость охлаждения центров обработки данных, одновременно способствуя экономической жизнеспособности и конкурентоспособности.
Среди выдающихся проектов — Flexnode в Бетесде, штат Мэриленд, разрабатывающий модульный центр обработки данных с передовыми технологиями охлаждения. Компания HP, расположенная в Корваллисе, штат Орегон, работает над жидкостным охлаждением, чтобы снизить тепловое сопротивление и обеспечить отвод тепла во внешний воздух при температуре 40°C и влажности 60%. Компания NVIDIA, базирующаяся в Санта-Кларе, штат Калифорния, разрабатывает модульный центр обработки данных с двухфазными охлаждающими пластинами, обеспечивающими выдающуюся тепловую эффективность. Калифорнийский университет в Дэвисе, штат Калифорния, является пионером в области решений по управлению температурным режимом для центров обработки данных периферийных вычислений, оптимизируя отвод тепла с помощью экономичных теплообменников.
В совокупности эти проекты направлены на революцию в охлаждении центров обработки данных, решении проблем климата и обеспечении надежных цифровых операций.
Заключение: Инициативы COOLERCHIPS расширяют границы охлаждения центров обработки данных
Инициативы COOLERCHIPS находятся на переднем крае исследований и разработок, расширяя границы возможного с точки зрения технологий охлаждения. Сосредоточив внимание на инновационных подходах, таких как микрофлюидное охлаждение, современные материалы и интеллектуальное управление температурным режимом, проекты COOLERCHIPS революционизируют способы управления теплом в электронных устройствах. Эти проекты не только могут сделать наши устройства более эффективными и долговечными, но также способствуют сокращению общего углеродного следа.
Внедрение технологии COOLERCHIPS может привести к существенной экономии энергии, продлению срока службы электронных компонентов и, в конечном итоге, сокращению электронных отходов.
Поскольку мы продолжаем требовать большего от наших устройств, будь то высокопроизводительные вычисления, искусственный интеллект или центры обработки данных, мы должны помнить, что эффективный тепловой дизайн и системы охлаждения — это невоспетые герои, которые делают все это возможным.
