Группа учёных создала один из ключевых компонентов системы жидкостного охлаждения (СЖО) дата-центров с использованием 3D-печати. В проекте приняли участие исследователи и специалисты практики из Дании, Бельгии и Германии, сообщает Datacenter Dynamics.

Датский технологический институт (Danish Technological Institute) совместно с компанией Heatflow (Дания), бельгийской Open Engineering и занимающимся прикладными исследованиями немецким институтом Fraunhofer IWU разработали, напечатали на 3D-принтере и протестировали компонент системы охлаждения для дата-центров и высокопроизводительных компьютеров.

В новом решении охлаждающая жидкость испаряется на горячей поверхности. Пар, отводя тепло, поднимается, а потом конденсируется и под действием силы тяжести возвращается к источнику тепла. Ключевой компонент — испарительная камера — изготовлена с помощью 3D-печати компанией Heatflow и Датским технологическим институтом. в ходе испытаний достигнута мощность охлаждения 600 Вт, это на 50 % больше, чем планировалось (400 Вт). Насосы этим элементом системы не используются, что снижает энергопотребление.

Источник изображения: Danish Research Institute

Как заявили представители Датского технологического института, благодаря 3D-печати можно интегрировать необходимые функции в единую деталь. Благодаря этому отпадает надобность в узлах соединения, снижается риск протечек и повышается надёжность компонента. Кроме того, используется только один материал, поэтому переработка упрощается.

Проект — часть европейской исследовательской инициативы AM2PC. Он поддерживается европейской сетью M-ERA.NET за счёт средств гранта Датского инновационного фонда (Danish Innovation Fund). Основной задачей проекта была разработка и производство испарительной камеры, а также проверка его рабочих характеристик.

По словам Heatflow, наблюдается тенденция к беспрецедентному росту удельной мощности серверов, поэтому классического воздушного охлаждения уже недостаточно, а новое двухфазное решение позволяет пассивно отводить тепло без использования насосов и вентиляторов, это значительно снижает энергопотребление.

Источник изображения: Danish Research Institute

Основанная в 2018 году Heatflow является поставщиком систем охлаждения для электроники. Компания специализируется на двухфазном охлаждении. Испарительная камера изготовлена благодаря лазерному спеканию порошковых слоёв (PBF-LB). При этом методе лазер используется для формирования металлических заготовок.

Решение отводит тепло при температурах 60–80 °C и потенциально применимо в системах централизованного теплоснабжения, применяющих отработанное тепло дата-центров. Учёные подчёркивают, что не уделяли особого внимания интеграциям с системами центрального отопления, но наглядно продемонстрировали, что подобная технология обеспечивает такую возможность. Утверждается, что речь идёт о важном шаге на пути создания более энергоэффективных дата-центров, способных внести позитивный вклад в общий энергетический баланс.

Развитие технологий охлаждения особенно важно, поскольку, по данным исследования Rest of World, около 80 % всех дата-центров мира построены в неподходящих климатических условиях, речь идёт о почти 7 тыс. объектов.

По сообщению Datacenter Dynamics, первый дата-центр EdgeCloudLink (ECL) емкостью 1 МВт развернут для поставщика облачных услуг Cato Digital в Маунтин-Вью, Калифорния. Строительство объекта финансировалось Molex и Hyperwise, общая сумма инвестиций составила $7 млн. В ECL заявили, что ее модульные ЦОД спроектированы с нуля для высокоплотного размещения ускорителей, спрос на которые стимулирует рост генеративных ИИ-нагрузок. При этом дата-центры ECL имеют нулевой выброс CO₂.

Для снижения стоимости и сроков развертывания модульные дата-центры могут быть построены с использованием 3D-принтеров. По словам CEO и основателя компании Юваля Бачара (Yuval Bachar), компания намерена печатать модульные конструкции на 3D-принтере за пределами площадки для размещения, поскольку это наиболее экологичный способ. Для более крупных проектов ECL может развернуть множество модульных ЦОД суммарной ёмкостью до 100 МВт, причём в течение всего 12 месяцев. Кроме того, компания предлагает свои решения по модели ЦОД-как-услуга, в этом случае она управляет построенным дата-центром от имени клиента.

Источник изображения: ECL

Энергия поступает от водородных топливных элементов, расположенных в каждом ЦОД. Вода, получающаяся в результате их работы, направляется на охлаждение оборудования. Используются теплообменники на задних дверях стоек (RDHx). Нагретая вода может использоваться для других нужд. Каждая стойка имеет мощность от 5 до 75 кВт, а в будущем при использовании прямого жидкостного охлаждения мощность можно довести до 125 кВт. ECL утверждает, что ее дата-центры имеют PUE 1,05 и могут быть развернуты практически в любом месте. ВОЛС-подключение при необходимости компания берёт на себя. Также отмечается, что ЦОД ECL имеют низкий уровень шума.

Источник изображения: ECL

Критики дата-центров, работающих на водороде, говорят, что они не так уж эффективны, поскольку сейчас добывать водород экономически выгоднее с использованием ископаемого топлива, так что итоговая экологичность подобных проектов находится под вопросом. Тем не менее, ECL намерена в течение года с небольшим развернуть 100–150 МВт для своих заказчиков, уточняет Fierce Network. По словам компании, её решения могут быть на треть и более дешевле в сравнении с традиционными дата-центрами.

На заре СЖО действительно существовали и предлагались совершенно разные конфигурации водоблоков, но постепенно восторжествовала единственная вариация — микроканальная. Совершенство достигнуто? Компания Fabric8Labs считает, что нет, и таким системам есть куда расти, но только при отказе от традиционных технологий изготовления водоблоков и радиаторов охлаждения. Свое видение будущего СЖО она продемонстрировала на конференции Hot Chips 2023.

Источник изображений здесь и далее: Fabric8Labs via ServeTheHome

Микроканальная конструкция довольно проста и реализуется классическими методами механической ообработки, которая способна обеспечить ширину каналов и толщину рёбер на уровне 100 мкм. У прямых каналов, впрочем, существует свой предел производительности теплоотвода, накладываемый самой физикой процесса.

Рост же тепловыделения современных процессоров отнюдь не собирается останавливаться: уже в порядке вещей теплопакеты в районе боле 300 Ватт, а для сложных ускорителей и того больше. Fabric8Labs считает, что за счёт применения более сложных канальных структур эффективность теплосъёма можно существенно повысить.

Формирование таких структур предполагается методом аддитивной печати. Классические методы такой печати в металлургии имеют довольно высокую себестоимость и требуют недёшевых компонентов, а сам техпроцесс имеет много стадий, достаточно энергоёмок и далеко не всегда позволяет получить достаточно гладкие поверхности.

Компания Fabric8Labs предлагает уникальную электрохимическую печать, не требующую применения дорогостоящих порошков, а вместо этого использующую дешёвые соли металлов. Техпроцесс в этом случае состоит всего из двух частей: направленного электроосаждения и промывки. По себестоимости такой метод существенно превосходит любые другие методы металлической 3D-печати.

Печать Fabric8Labs позволяет получать на выходе сложные гироидные структуры (TPMS), лучше омываемые теплоносителем. Как показывают проведённые компанией эксперименты, водоблоки с такой структурой могут быть на 35 % эффективнее классических микроканальных.

Также представляет интерес возможность печати нерегулярных структур, имеющих оптимальную производительность для разных чиплетов процессора с разными тепловыми характеристиками. При разработке таких структур возможно использование методов оптимизации с помощью генеративного ИИ.

Благодаря своей дешевизне и относительной простоте, методы, предлагаемые Fabric8Labs, выглядят весьма перспективно. В настоящее время технология находится в экспериментальной фазе, но компания рассматривает возможность строительства первой фабрики уже в 2024 году в Сан-Диего (США), а также открыта для сотрудничества с другими производителями систем охлаждения, если предлагаемая технология вызовет интерес крупных заказчиков.