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Smart thermal management of high-power microprocessors using phase-change

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Conceptos informáticos geniales para la era digital

Para mantener altas velocidades de cálculo y una rápida entrega de datos se necesitan microprocesadores refrigerados. Nuevas estrategias de vanguardia —inspiradas en parte en el humilde frigorífico— podrían aportar la respuesta.

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Desde el teléfono inteligente que llevamos en el bolsillo hasta las constelaciones de satélites en órbita, la insaciable demanda de datos de la humanidad, entregados lo más rápidamente posible, es cada vez mayor. Ello supone una enorme presión para los microprocesadores, que tienen que realizar muchas funciones de cálculo simultáneamente. «El microprocesador está en el centro de la informática», explica el coordinador del proyecto ThermaSMART, Prashant Valluri, de la Universidad de Edimburgo, en el Reino Unido. «Consumen mucha energía cuando están ocupados: por ejemplo, cuando ves una película en el portátil pueden calentarse mucho». Los centros de datos, que pueden albergar varias docenas de microprocesadores, también pueden calentarse. Un fallo de funcionamiento —o incluso un incendio— podría poner en peligro información confidencial de carácter financiero, sanitario o gubernamental.

Refrigeración por cambio de fase para microprocesadores

La industria lleva años lidiando con este problema del calor generado por los microprocesadores. Tradicionalmente, el aire refrigerante se ha utilizado para enfriar los ordenadores, pero no puede hacer mucho. El equipo del proyecto ThermaSMART, financiado con fondos europeos, examinó el potencial de lo que se conoce como refrigeración por cambio de fase para evitar el sobrecalentamiento de los microprocesadores. Así es exactamente como los frigoríficos mantienen el frío. Funciona así. El refrigerante, que recorre el frigorífico en serpentines, absorbe el calor cuando está en estado líquido, alejándolo del contenido del frigorífico. Al calentarse, se evapora y se convierte en gas, expulsando el calor a través de bobinas externas, antes de enfriarse y volver a convertirse en líquido. A continuación, se repite el ciclo.

Microcanales para equipos electrónicos

Valluri y su equipo querían averiguar si este proceso de refrigeración podía aplicarse a los equipos electrónicos. Este trabajo se basó en un proyecto anterior, denominado THERMAPOWER, que avanzó en la comprensión fundamental de los fenómenos de cambio de fase. «En este último proyecto, estudiamos aspectos científicos fundamentales relacionados con la evaporación, la ebullición y la condensación, así como la eficiencia de distintos materiales y refrigerantes», explica Valluri. «También nos fijamos en aspectos de ingeniería, porque un microprocesador es un dispositivo muy pequeño. Así que diseñamos diminutos microcanales que contenían refrigerante y que podían colocarse encima de un microprocesador». En el proyecto ThermaSMART, que contó con el apoyo de las acciones Marie Skłodowska-Curie, se basó en el intercambio de personal. En ellas participaron veintiuna universidades de los cinco continentes. «De este modo pudimos mejorar las cualificaciones de muchos estudiantes», añade Valluri. «Una de las mejores partes del proyecto fue poder enviar estudiantes a visitar expertos de otros países, y estos intercambios siempre fueron complementarios». De hecho, uno de los principales resultados ha sido una impresionante lista de artículos de investigación con revisión por pares, en los que se examinan numerosos aspectos de la refrigeración por cambio de fase.

La neurología como ámbito de aplicación

Otro éxito del proyecto fue la identificación de posibles nuevos ámbitos de aplicación. «Eso ocurrió casi por accidente. Estaba trabajando con el departamento del Centre for Clinical Brain Sciences en Edimburgo, que estudiaba formas de enfriar el cerebro», comenta Valluri. Tras una lesión cerebral grave, suele ser fundamental enfriar el cerebro; la inflamación puede provocar daños mayores. Aquello que se aprendió en el proyecto ThermaSMART se utilizó para investigar la refrigeración por cambio de fase como posible solución para controlar la temperatura cerebral de los pacientes. Aunque están interesados en explorar todas las vías posibles, Valluri y su equipo confían en que sin duda la refrigeración por cambio de fase desempeñará un papel fundamental en el futuro de la informática. Sustituir los microprocesadores es caro y perjudicial para el medio ambiente; utilizar aire como refrigerante es ineficaz y consume mucha energía. «El siguiente paso será cómo desarrollar e instalar estos métodos de refrigeración de chips por microcanales», afirma.

Palabras clave

ThermaSMART, digital, informática, microprocesadores, teléfono inteligente, datos, centros de datos

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