Intel se sumerge en el futuro de la refrigeración

Ampliar la Ley de Moore significa poner más transistores en un circuito integrado y, cada vez más, añadir más núcleos. Hacerlo mejora el rendimiento, pero requiere más energía. En la última década, Intel calcula que ha ahorrado 1.000 teravatios hora de electricidad gracias a las mejoras que sus ingenieros han introducido en los procesadores. Estos avances se complementan con tecnologías de refrigeración -ventiladores, refrigeradores interiores, refrigeración directa al chip- que gestionan mejor el calor, conservan la energía y reducen las emisiones de carbono.

Estas funciones de refrigeración consumen hasta el 40% de la energía de un centro de datos. A medida que Intel busca aumentar el rendimiento en el futuro, las mejoras deben lograrse de una manera eficiente desde el punto de vista energético, y la refrigeración por aire puede no ser la solución. Afortunadamente, Intel está trabajando con el sector de la refrigeración líquida -desde proveedores de depósitos y fluidos hasta sus propios laboratorios- para crear soluciones innovadoras en las que los componentes informáticos estén en contacto directo con un fluido conductor del calor. Algunas de las soluciones parecen entrar de lleno en el reino de la ciencia ficción, como las cámaras de vapor 3D incrustadas en disipadores de calor con forma de coral. O chorros diminutos, ajustados mediante inteligencia artificial, que disparan agua fría sobre los puntos calientes del chip para eliminar el calor. Todos ellos se están estudiando en los laboratorios térmicos de Intel.

Disrupción en el centro de datos

Según un estudio de la Agencia Internacional de la Energía de 2022, el consumo mundial de electricidad de los 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 de los principales superordenadores del mundo ha hecho que la refrigeración líquida pase de ser una tecnología fantástica y marginal a convertirse en una tecnología de vanguardia.

Intel lleva más de una década apoyando la refrigeración por inmersión, y con razón: El camino hacia los centros de datos sostenibles y los superordenadores a exaescala requiere una revolución en la refrigeración para dar cabida a procesadores más potentes.

"Intel: "Ha llegado el momento de la refrigeración por inmersión", rezaba un titular de Data Center Frontier del 26 de octubre de 2022. En la Cumbre de Open Compute de ese día, Zane Ball de Intel discutió el creciente enfoque en la refrigeración por inmersión y anunció que Intel se asociaría con el Open Compute Project y los proveedores de refrigeración para desarrollar estándares para hacer que la tecnología sea más accesible.

"La gente lleva mucho tiempo hablando de la refrigeración líquida", dijo Ball, vicepresidente corporativo y director general de Ingeniería y Arquitectura de Centros de Datos. "Siempre es esa cosa que vamos a hacer 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 del sector en refrigeración por inmersión, para trabajar en procesadores Intel Xeon refrigerados por Submer en centros de datos. En enero de 2022, Intel anunció un acuerdo con Green Revolution Cooling (GRC) para diseñar e implementar técnicas personalizadas de refrigeración por inmersión de vanguardia en futuros centros de datos y despliegues periféricos. También en 2022, Intel presentó una garantía de inmersión pionera en el sector para los procesadores Intel Xeon y consiguió sus primeros acuerdos de sostenibilidad frente a la competencia con grandes clientes mundiales, como Microsoft y Alibaba.

La sostenibilidad impulsa el diseño

La refrigeración por inmersión forma parte de los compromisos de Intel de reducción a cero. Hasta el 99% del calor generado por los equipos informáticos puede capturarse en forma de agua u otro refrigerante líquido. En lugar de necesitar ventiladores, el calor pasa al fluido, que luego circula para disipar la energía, de forma muy parecida a un sistema de aire acondicionado. Ese calor puede incluso aprovecharse y reutilizarse cuando sea necesario.

"La refrigeración por inmersión es una tecnología disruptiva", afirma Jen Huffstetler, responsable de sostenibilidad de productos del Grupo de Centros de Datos e Inteligencia Artificial (DCAI) de Intel. "Esta tecnología no solo aborda algunos de los mayores retos de los centros de datos -al reducir el uso de energía y agua-, sino que también ayuda a nuestros clientes a mejorar el TCO (coste total de propiedad) al tiempo que mejora la densidad de computación general."

Las soluciones disruptivas tienen que ser innovadoras, pero también listas para el mercado, ejecutables y comprobables. Intel se asociará con startups y líderes académicos en estas tecnologías, con el objetivo de desarrollar soluciones abiertas en 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

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

Entre las soluciones que están estudiando se encuentran las cámaras de vapor en 3D (bolsas metálicas planas y selladas llenas de fluido) para distribuir la capacidad de ebullición utilizando un espacio mínimo y revestimientos mejorados para mejorar la ebullición, que reducen la resistencia térmica promoviendo una alta densidad de sitios de nucleación (donde se forman burbujas de vapor en una superficie metálica).

La ebullición es uno de los métodos más eficaces para enfriar dispositivos electrónicos de alta potencia y mantener una distribución uniforme de la temperatura. Los revestimientos de mejora de la ebullición fabricados con materiales avanzados pueden facilitar una ebullición nucleada eficaz. En la actualidad, se aplican sobre una superficie plana, pero las investigaciones demuestran que un diseño de disipador de calor en forma de coral con características internas en forma de ranura tiene el mayor potencial de coeficientes de transferencia de calor externo con refrigeración por inmersión bifásica.

Intel prevé estas cavidades de cámara de vapor 3D de resistencia térmica ultrabaja integradas en disipadores de calor de refrigeración por inmersión con forma de coral creados mediante fabricación aditiva.

Otro enfoque que están siguiendo los investigadores de Intel utiliza conjuntos de chorros de fluido para refrigerar los dispositivos de mayor potencia. A diferencia de los disipadores de calor típicos o las placas frías tradicionales que pasan fluido sobre una superficie, los chorros de refrigeración dirigen el fluido directamente a la superficie. La tapa térmica que contiene los chorros puede acoplarse directamente a la parte superior de un envase con tapa estándar, lo que elimina el material de interfaz térmica y reduce la resistencia térmica. Dado que los módulos multichip son cada vez más difíciles de refrigerar, esta tecnología puede personalizarse para cada construcción y centrarse eficazmente en los puntos calientes, lo que permite que el procesador funcione a una temperatura más baja con un aumento del rendimiento de entre el 5% y el 7% para la misma potencia.

Desde el diseño de sus procesadores hasta el nivel de sistema del centro de datos, Intel sigue centrada en ampliar la Ley de Moore al tiempo que aumenta la eficiencia energética.

"Habilitar e innovar tecnologías térmicas agresivas y escalables es la necesidad del momento para alinearse con el aumento exponencial de la potencia que se espera de los procesadores en la próxima década", afirma Tejas Shah, arquitecto térmico jefe del grupo Super Compute Platforms de Intel. "Intel está a la vanguardia de la mejora y estandarización de esta tecnología, que es existencialmente importante para nuestro futuro".