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MADRID, 7 maio (EUROPA PRESS) -
Engenheiros mecânicos da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (Estados Unidos) desenvolveram uma tecnologia mais eficaz e energeticamente eficiente para o resfriamento de chips de computador. Em um artigo publicado na revista “Cell Reports Physical Science”, da Cell Press, os pesquisadores utilizaram um algoritmo matemático e um método avançado de impressão 3D para produzir placas de resfriamento de cobre puro que superaram as placas convencionais e exigiram menos energia para funcionar.
De acordo com as estimativas dos pesquisadores, se fosse utilizada para resfriar um data center inteiro, essa tecnologia representaria apenas cerca de 1,1% do consumo energético total do data center, em comparação com mais de 30% dos métodos convencionais de resfriamento a ar.
“A refrigeração é o principal obstáculo no projeto de chips de computador”, esclarece o primeiro autor, Behnood Bazmi, engenheiro mecânico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. “Ao preencher a lacuna entre o projeto computacional e a capacidade de fabricação, nossa abordagem oferece um caminho para uma refrigeração líquida mais eficiente em termos energéticos de chips e outros componentes eletrônicos.”
Os chips de computador estão cada vez mais potentes, o que significa que geram mais calor. Isso, somado ao aumento dos data centers, está pressionando a rede elétrica; prevê-se que, até 2028, os data centers consumirão até 12% da carga da rede nacional nos Estados Unidos. Nos últimos 40 ou 50 anos, os chips de computador têm sido resfriados por meio da circulação de ar, mas isso não é suficiente para dissipar o calor produzido pelos chips modernos. Segundo os pesquisadores, o resfriamento líquido direto no chip poderia oferecer uma solução mais eficaz.
Os sistemas de resfriamento direto no chip consistem em uma placa fria fixada ao chip do computador. Essas placas frias possuem aletas metálicas densamente dispostas que se projetam em direção ao líquido refrigerante para maximizar a superfície em contato com o refrigerante. Alguns sistemas de refrigeração líquida direta no chip já estão disponíveis comercialmente, mas priorizam o custo de fabricação em detrimento do desempenho. Neste estudo, os pesquisadores se propuseram a otimizar o projeto das aletas para criar placas frias com a máxima capacidade de refrigeração.
A equipe empregou uma técnica chamada otimização topológica para projetar aletas com uma forma ideal. Partindo de um projeto retangular simples, a otimização topológica utiliza um algoritmo matemático para modificar gradualmente a forma da aleta. Em cada iteração do projeto, o algoritmo estima a capacidade de refrigeração e a quantidade de energia necessária para bombear o refrigerante através das aletas.
“A otimização topológica acaba convergindo para um projeto que é ideal para maximizar o desempenho térmico e minimizar a potência de bombeamento”, comenta o autor principal e engenheiro mecânico Nenad Miljkovic, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
Com pontas afiadas e bordas serrilhadas, as aletas resultantes são muito mais complexas do que as convencionais, que geralmente são simples retângulos, cones ou cilindros. Como esse projeto seria muito difícil de fabricar com técnicas convencionais, a equipe colaborou com a empresa Fabric8 para utilizar um método de fabricação avançado chamado fabricação aditiva eletroquímica (ECAM) e produzir placas de cobre com aletas otimizadas. Em vez de fundir o cobre, a ECAM se baseia no revestimento eletroquímico para depositar o cobre e construir as aletas camada por camada, de baixo para cima.
O cobre puro tem alta condutividade térmica, mas é difícil de imprimir em 3D, por isso a maioria das placas de resfriamento é feita de uma liga de alumínio (AlSiMg) ou aço inoxidável, materiais que não são ideais para a transferência de calor. “A ECAM pode fabricar peças de cobre puro com um nível de detalhe muito fino, entre 30 e 50 micrômetros, menos do que a espessura de um fio de cabelo humano”, explica Miljkovic.
Ao comparar o desempenho de resfriamento de uma placa fria de cobre com aletas otimizadas com o de placas frias com aletas retangulares convencionais, os pesquisadores descobriram que a placa otimizada oferecia um resfriamento até 32% superior e reduzia a queda de pressão (menor esforço para impulsionar o fluido através da placa fria) em até 68%, mantendo o mesmo desempenho de resfriamento. Segundo os pesquisadores, em um data center completo, isso se traduziria em uma economia significativa de energia em comparação com os sistemas de refrigeração a ar e os sistemas de refrigeração líquida disponíveis no mercado.
Por exemplo, um data center com 1 gigawatt (GW) de potência de computação consome cerca de 550 megawatts para o funcionamento de um sistema de refrigeração a ar, o que significa que consome um total de 1,55 GW de energia, mas apenas 1 GW é utilizado para funções como ChatGPT, pesquisas e armazenamento. “Com nossas placas de refrigeração, os data centers precisariam de apenas 11 megawatts para refrigeração, em vez de 550 megawatts”, detalha Miljkovic.
Segundo os pesquisadores, esse sistema de otimização e fabricação poderia ser ampliado para projetar sistemas de refrigeração otimizados para outras aplicações eletrônicas e não eletrônicas. “Nosso fluxo de trabalho pode ser aplicado a uma ampla gama de desafios de refrigeração em diferentes escalas”, conclui Bazmi.
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