Intel se sumerge en el futuro de la refrigeración

Extender la ley de Moore significa colocar más transistores en un circuito integrado y, progresivamente, agregar más núcleos. Hacerlo mejora el desempeño, pero requiere más energía.

Durante la última década, Intel estima que ha ahorrado 1,000 teravatios-hora de electricidad a través de las mejoras que sus ingenieros han realizado a los procesadores. Estos avances se complementan con tecnologías de refrigeración (como ventiladores, refrigeradores integrados, refrigeración directa al chip) que gestionan mejor el calor, ahorran energía y reducen las emisiones de carbono.

Estas características de refrigeración requieren hasta el 40 % del consumo de energía de un centro de datos¹. A medida que Intel busca aumentar el rendimiento en el futuro, es necesario realizar mejoras de manera eficiente en el consumo de energía, 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 y fluidos, hasta 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 propias de la ciencia ficción, como las cámaras de vapor 3D integradas en los disipadores térmicos en forma de coral. O pequeños jets, ajustados por inteligencia artificial, que lanzan agua fría sobre agua caliente en el chip para eliminar el calor. Todo se está explorando en los laboratorios térmicos de Intel.

Disrupción en el centro de datos

Según un estudio de la Agencia Internacional de Energía 2022, el consumo global de electricidad en centros de datos en 2021 fue de 220 a 320 teravatios-hora, es decir, entre el 0,9 % y el 1,3 % de la demanda mundial de electricidad.

El aumento del consumo energético de los centros de datos y las supercomputadoras más importantes del mundo ha hecho que la refrigeración líquida pase de la fantasía a la tecnología tradicional.

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 exascala requiere una revolución en la refrigeración para adaptarse a los procesadores más potentes.

"Intel: 'ahora es el momento' para la refrigeración por inmersión", decía el titular de Data Center Frontier del 26 de octubre de 2022. Ese mismo día, en la Open Compute Summit, Zane Ball de Intel habló sobre la creciente atención a la refrigeración por inmersión, y anunció que Intel se asociaría con el 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 gerente general de Ingeniería y Arquitectura de Centros de Datos. "Siempre ha sido esa cosa que haremos 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, líder de la industria en refrigeración por inmersión, para trabajar en los procesadores Intel® Xeon® refrigerados por Submer en los centros de datos. Intel anunció en enero de 2022 un acuerdo con Green Revolution Cooling (GRC) para diseñar e implementar técnicas personalizadas de refrigeración por inmersión de última generación en futuros centros de datos y despliegues edge.  También en 2022, Intel ofreció una garantía de inmersión por primera vez en la industria para procesadores Intel Xeon y consiguió sus primeros acuerdos de sostenibilidad frente a la competencia con grandes clientes globales, como Microsoft y Alibaba.

La sostenibilidad impulsa el diseño

La refrigeración por inmersión forma parte de los compromisos de cero emisiones netas de Intel. Hasta el 99 % del calor generado por los equipos de TI puede capturarse en forma de agua u otro refrigerante líquido. En lugar de requerir ventiladores, el calor pasa al fluido, que luego se utiliza para disipar la energía, como si se tratase de un sistema de aire acondicionado. Incluso ese calor se puede aprovechar y reutilizar cuando sea necesario.

"La refrigeración por inmersión es una tecnología disruptiva", dijo Jen Huffstetler directora de Sostenibilidad de Productos en el Grupo de Centros de Datos e Inteligencia Artificial (DCAI por sus siglas en inglés) de Intel. "Esta tecnología no solo aborda algunos de los mayores desafíos de los centros 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) mientras mejora la densidad de computación general".

Las soluciones disruptivas deben ser innovadoras, pero también aptas para el mercado, ejecutables y comprobables. Intel se asociará con startups 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

Investigadores de Intel están desarrollando soluciones novedosas para satisfacer las necesidades de gestión térmica y de energía de arquitecturas de próxima generación, incluidos los dispositivos de hasta 2 kilovatios.

Entre las soluciones que están investigando se encuentran las cámaras de vapor 3D (bolsas metálicas planas y selladas, llenas de fluido) para extender y mejorar la capacidad de ebullición utilizando un mínimo de espacio y  revestimientos mejorados, lo que reduce la resistencia térmica al favorecer una alta densidad en el sitio de nucleación (donde se forman burbujas de vapor en una superficie metálica).

La ebullición es uno de los métodos más eficaces para enfriar los dispositivos electrónicos de alta potencia y mantener una distribución uniforme de temperatura. Los revestimientos para mejorar la ebullición fabricados con materiales avanzados, pueden facilitar una ebullición nucleada eficaz.  En la actualidad, estos se aplican sobre una superficie plana, pero la investigación muestra que un diseño de disipador de calor en forma de coral con ranuras internas presenta el mayor potencial de coeficientes de transferencia térmica externa con refrigeración por inmersión bifásica.

Intel visualiza estas cavidades de cámara de vapor 3D de resistencia térmica ultrabaja integradas en los disipadores térmicos de inmersión en forma de coral creados mediante fabricación aditiva.

Otro enfoque que los investigadores de Intel están persiguiendo utiliza matrices de jets de fluidos para enfriar los dispositivos de mayor potencia. A diferencia de los disipadores térmicos típicos o las placas de frío tradicionales que pasan el fluido sobre una superficie, los jets de refrigeración dirigen el fluido directamente a la superficie. La cubierta térmica que contiene los jets se puede colocar directamente en la parte superior de un envase con tapa estándar, eliminando el material de interfaz térmica y reduciendo la resistencia térmica. Con los módulos multi-chip cada vez más difíciles de enfriar, esta tecnología se puede personalizar para cada construcción y puede apuntar eficazmente a los puntos calientes, permitiendo que el procesador funcione a una temperatura más baja con un aumento del 5% al 7% en el rendimiento para la misma potencia.

Desde el diseño de sus procesadores hasta el nivel de los sistema de centros de datos, Intel sigue enfocado en extender la ley de Moore mientras aumenta la eficiencia energética.

"Habilitar e innovar en tecnologías térmicas agresivas y escalables son las necesidades del momento para alinearse con el aumento exponencial de potencia que se espera de los procesadores durante la próxima década", dijo Tejas Shah, arquitecto térmico líder del grupo Super Compute Platforms de Intel. "Intel está a la vanguardia de mejorar y estandarizar esta tecnología, que es existencialmente importante para nuestro futuro".

¹ _{"La transformación sostenible del centro de datos: reducir la huella de carbono con refrigeración por inmersión líquida"}