Durante las últimas décadas, el continuo aumento de la densidad de potencia de los circuitos integrados (IC) debido a la tasa cada vez mayor de datos y comunicaciones (IA, VR, ML, IoT, 5G, etc.), junto con tecnologías avanzadas de fabricación y empaquetado en sistemas micro y nanoelectrónicos han mejorado significativamente el rendimiento de los chips. Sin embargo, la imposibilidad de seguir la ley de escala de Dennard ha incurrido en un aumento exponencial de la disipación de calor, estableciendo la gestión térmica como una de las principales preocupaciones para la comunidad de tecnologías de la información y la comunicación (TIC)1.
Se ha visto que los grandes consumos de energía y agua asociados a esos sistemas de refrigeración tienen un gran impacto ambiental. La creciente demanda de sistemas de procesamiento y almacenamiento de datos, junto con la mejora del rendimiento de la electrónica, ha dado como resultado un gran crecimiento de la industria de los centros de datos, convirtiéndose en un problema energético mundial. En la actualidad, los centros de datos consumen alrededor del 3% del suministro eléctrico mundial y se prevé que consuman más del 8% de la demanda total de electricidad para 20302. Una parte importante de este consumo, hasta un 40% es debido a sus sistemas de refrigeración, ya que comúnmente son enfriados por sistemas de aire acondicionado globales. Para cumplir con la creciente densidad de potencia de los microprocesadores y reducir los requisitos de potencia de enfriamiento, los centros de datos están pasando cada vez más de la refrigeración por aire a la refrigeración líquida. Bombear un líquido consume mucha menos energía que hacer circular aire frío, y la alta capacidad calorífica del agua reduce el caudal necesario. Además, el calor residual se puede transportar y utilizar para calentar edificios, invernaderos u otras instalaciones cercanas.
La tecnología de refrigeración líquida directa-al-chip más desarrollada y conocida se basa en microcanales3, que ofrecen una alta transferencia de calor, pero tienen caídas de presión altas, que se traduce en mayor consumo energético, poca uniformidad de temperatura (que implica una reducción de la fiabilidad y la vida útil del chip4) y carecen de la capacidad de adaptarse a escenarios variables en el tiempo y espacio5, hecho que toma especial relevancia en procesadores multinúcleo e circuitos integrados tridimensionales (3D-IC). Así, aunque diferentes trabajos se enfocan en la mitigación de los puntos calientes en escenarios de calor no uniformes, no adaptan su comportamiento a los escenarios de carga de calor dependientes del tiempo, por lo que solo son factibles para distribuciones de flujo de calor específicas definidas previamente. En consecuencia, sus distribuciones de caudal constante son conservadoras ya que se basan en los requisitos más exigentes, lo que conduce a potencias de bombeo sobredimensionadas y distribuciones de temperatura no uniformes para condiciones de operación variables, como las que se dan en los sistemas de microelectrónica avanzada actuales.
Además, para aumentar aún más el rendimiento térmico de los disipadores de calor, varios trabajos se han centrado en técnicas para mejorar la transferencia de calor como la disminución de la capa límite térmica, el aumento de las interrupciones del flujo o el aumento del gradiente de velocidad cerca de la superficie calentada. La adición de elementos que perturban el flujo es una de las técnicas pasivas más comunes utilizadas, ya que rompen la capa límite del fluido para lograr una mejor mezcla y redesarrollo de esta capa, resultando en resistencias térmicas locales más bajas6. El principal inconveniente de estos sistemas es el aumento de la caída de presión debido a la adición de elementos dentro del canal y, por tanto, el incremento de la potencia hidráulica de bombeo de forma permanente.
En esta línea, dentro de las soluciones de refrigeración existentes para mejorar el rendimiento de los sistemas de refrigeración líquida, ninguno se centra en desarrollar un sistema capaz de adaptarse a condiciones cambiantes en el tiempo y el espacio. Así, se mejora la transferencia de calor incluso cuando no se necesita y se inducen caídas de presión adicionales en el canal de fluido, lo que provoca potencias de bombeo sobredimensionadas para condiciones cambiantes.
UniSCool propone revolucionar los sistemas de enfriamiento actuales a través de un nuevo sistema de refrigeración líquida patentado y altamente innovador, basado en un disipador de calor adaptativo, que incluye una serie de aletas activadas térmicamente y capaces de adaptar, de una manera eficiente, la extracción de calor local a flujos de calor variables (Figura 1.a). De esta manera, las aletas se levantan con el aumento de temperatura, para perturbar el fluido y reducir la resistencia térmica local, proveyendo una alta uniformidad de temperatura al dispositivo independientemente del flujo de calor. Por el contrario, cuando la temperatura decrece, las aletas se mantienen en una posición plana para minimizar la potencia de bombeo (Figura 1b).
Estas aletas se basan en estructuras bimorfas basadas en materiales de memoria de forma, que se deforman en función de su propia temperatura, sin necesidad de sensores o actuadores externos. El movimiento autoadaptativo de las aletas con la temperatura se basa en el fenómeno del efecto de memoria de forma (SME) en el que un material recupera su tamaño y forma originales cuando se calienta por encima de una determinada temperatura de transformación característica.
Como resultado, el dispositivo de refrigeración líquida autoadaptativo puede generar una distribución de la resistencia local adaptada a los requisitos locales del objeto refrigerado, independientemente de la variabilidad en el tiempo y el espacio, mediante el uso de las aletas autoadaptativas. El aumento de la temperatura local promueve el cambio de las aletas SMA a la fase austenítica, generando un vórtice dentro del flujo y mejorando la transferencia de calor local. Una vez enfriada, la aleta vuelve a su forma plana inicial minimizando las pérdidas de presión y, por tanto, la potencia de bombeo.
UniSCool ha incorporado esta tecnología en una solución de refrigeración directa-al-chip, inteligente y coste-efectiva instalada en un servidor de un centro de datos (Figura 2) para validar el ahorro energético conseguido respecto las soluciones de refrigeración existentes en las instalaciones (HVAC).
Figura 2. Sistema de refrigeración líquida directa-al-chip UniSCool instalado en un servidor, para refrigerar 2 CPU Intel Xeon
Los resultados obtenidos han permitido cuantificar una reducción del consumo energético asociado a la refrigeración de hasta alrededor de un 70% (Fig. 3a), mientras que el consumo global del servidor se ha visto disminuido en hasta un 30% (Fig. 3b).
La tecnología desarrollada por UniSCool destaca frente a otras soluciones de refrigeración líquida por basarse en un disipador de calor autoadaptativo, que ajusta, de forma más eficiente que las soluciones actuales, la extracción de calor a las necesidades locales e instantáneas del dispositivo refrigerado. Así se provee una alta uniformidad de temperatura en el tiempo y superficie del dispositivo refrigerado (factor clave para la fiabilidad y la vida útil del mismo), mejorando la transferencia de calor y reduciendo el consumo energético asociado a la potencia de bombeo. Esta solución también mejora tanto la compacidad de los sistemas, ya que se puede integrar a diferentes niveles, como el rendimiento de los dispositivos, al permitirles trabajar a temperaturas óptimas.
1 A. Kanduri et al. “A perspective on dark silicon”, in The Dark Side of Silicon: Energy Efficient Computing in the Dark Silicon Era 3–20, 2017.
2 J. Koomey, “Growth in data center electricity use 2005 to 2010,” Rep. Anal. Press Complet. Req. N. Y. Times, 2011.
3 D. B. Tuckerman and R. F. W. Pease, “High-performance heat sinking for VLSI,” IEEE Electron Device Lett., vol. 2, no. 5, pp. 126–129, 1981.
4 C. S. Sharma, S. Zimmermann, M. K. Tiwari, B. Michel, and D. Poulikakos, “Optimal thermal operation of liquid-cooled electronic chips,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 55, no. 7–8, pp. 1957–1969, 2012.
5 S. Riera, J. Barrau, M. Omri, L. G. Fréchette, and J. I. Rosell, “Stepwise varying width microchannel cooling device for uniform wall temperature: Experimental and numerical study,” Appl. Therm. Eng., vol. 78, pp. 30–38, Mar. 2015
6 S. Ferrouillat, P. Tochon, C. Garnier, and H. Peerhossaini, “Intensification of heat-transfer and mixing in multifunctional heat exchangers by artificially generated streamwise vorticity,” Appl. Therm. Eng., vol. 26, no. 16, pp. 1820–1829, 2006.
