Nowe koncepcje chłodzenia na miarę ery cyfrowej
Ludzkość nieustannie zwiększa swoje zapotrzebowanie na dane dostarczane tak szybko, jak to tylko możliwe poczynając od smartfonów w naszych kieszeniach, a kończąc na konstelacjach satelitów na orbicie okołoziemskiej. Prowadzi to do dużego nacisku na rozwój mikroprocesorów, które muszą realizować jednocześnie wiele operacji obliczeniowych. „Mikroprocesory są podstawowym elementem składowym rozwiązań informatycznych, można powiedzieć nawet, że są ich sercem”, wyjaśnia Prashant Valluri, koordynator projektu ThermaSMART z ramienia Uniwersytetu w Edynburgu w Zjednoczonym Królestwie. „W czasie wykonywania pracy, na przykład podczas wyświetlania filmu na naszych laptopach, zużywają dużo energii, w związku z czym mogą także osiągać wysokie temperatury”. Nagrzewanie staje się szczególnie dużym wyzwaniem w centrach danych, w których jednocześnie działają dziesiątki, setki, a nawet tysiące mikroprocesorów. Co więcej, znacznie wyższe są także stawki – awaria lub pożar w centrum danych mogą narazić na ryzyko poufne informacje dotyczące finansów, zdrowia, a nawet sekrety rządowe.
Mikroprocesory chłodzone zmiennofazowo
Przemysł od lat boryka się z problemem ciepła wytwarzanego przez mikroprocesory podczas pracy. Konwencjonalne rozwiązania w zakresie chłodzenia zakładały wykorzystanie przepływu powietrza, jednak możliwości tej metody są ograniczone. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ThermaSMART zajął się badaniem potencjału zmiennofazowych systemów chłodzenia w zakresie zapobiegania przegrzewaniu się mikroprocesorów. Ten sam mechanizm wykorzystują producenci lodówek, aby utrzymać niską temperaturę wewnątrz komory. Zasada działania jest stosunkowo prosta. Czynnik chłodniczy, pompowany przez przewody znajdujące się w lodówce, pochłania ciepło w formie cieczy – dzięki temu jest ono odprowadzane z wnętrza. Po nagrzaniu, czynnik paruje, czyli zmienia stan na gazowy. W ten sposób ciepło jest odprowadzane przez zewnętrzne wymienniki, gdzie następuje schłodzenie substancji i ponowna zmiana stanu skupienia. Cały cykl nieustannie się powtarza.
Mikrokanały i elektronika
Wraz ze swoim zespołem Valluri chciał sprawdzić, czy wspomniany proces chłodzenia można zastosować w rozwiązaniach elektronicznych. Działania badaczy czerpały z doświadczeń projektu THERMAPOWER, który przyczynił się do lepszego zrozumienia zjawisk związanych ze zmianą stanów skupienia. „W ramach nowej inicjatywy przyjrzeliśmy się podstawowym aspektom naukowym związanym z parowaniem, wrzeniem i kondensacją, a także osiągom różnych materiałów i czynników chłodniczych”, wyjaśnia Valluri. „Przyjrzeliśmy się również zagadnieniom inżynieryjnym, które wynikają z niewielkich rozmiarów współczesnych mikroprocesorów. Z tego powodu zaprojektowaliśmy więc maleńkie mikrokanały przenoszące czynnik chłodniczy, które można umieścić na mikroprocesorze”. Kluczowym elementem projektu ThermaSMART, wspieranego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, była wymiana pracowników, w których wzięło udział 21 uczelni wyższych z pięciu kontynentów. „Dzięki tym działaniom byliśmy w stanie zadbać o rozwój kompetencji wielu studentów”, dodaje Valluri. „Jednym z najlepszych elementów projektu była możliwość wysyłania studentów na spotkania z ekspertami w innych krajach w ramach wymian”. Nie da się nie zauważyć, że jednym z kluczowych rezultatów projektu była imponująca lista recenzowanych artykułów naukowych, których autorzy i autorki przeanalizowali liczne zagadnienia związane ze stosowaniem nowatorskich metod chłodzenia.
Neurologia jako obszar zainteresowania badaczy
Kolejnym ważnym sukcesem projektu było opracowanie listy możliwych nowych obszarów zastosowań tych rozwiązań. „Co ciekawe, rezultat ten był niemalże dziełem przypadku”, zauważa Valluri. „Wszystko to dzięki współpracy z Ośrodkiem Badań Klinicznych Mózgu (Centre for Clinical Brain Sciences) w Edynburgu, którego badacze poszukiwali sposobów na chłodzenie mózgu”. Po poważnym urazie mózgu często konieczne jest schłodzenie mózgu, ponieważ postępujący obrzęk może prowadzić do dalszych uszkodzeń. Rozwiązania opracowane w ramach projektu ThermaSMART zostały wykorzystane w celu sprawdzenia, czy chłodzenie zmiennofazowe może zostać wykorzystane jako rozwiązanie do kontroli temperatury mózgu pacjenta. Choć Valluri i jego zespół chcą skupić się na wszystkich możliwych obszarach i zastosowaniach, badacze są przekonani, że chłodzenie zmiennofazowe z pewnością odegra kluczową rolę w przyszłości informatyki. Wymiana mikroprocesorów jest kosztowna i trudno zaprzeczyć wpływowi tego procesu na środowisko, a używanie powietrza w celu chłodzenia jest nieefektywne i energochłonne. „Następnym działaniem będzie opracowanie i zainstalowanie tych mikrokanałowych rozwiązań do chłodzenia układów scalonych”, wyjaśnia badacz.
Słowa kluczowe
ThermaSMART, cyfrowe, obliczeniowe, mikroprocesory, smartfon, dane, centra danych
