जैसे ही कृत्रिम बुद्धिमत्ता की लहर डेटा केंद्रों में बिजली की मांग को बढ़ाती है, अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने एक नई त्रि-आयामी मुद्रित शुद्ध तांबे की कूलिंग प्लेट तकनीक विकसित की है, जिससे कूलिंग के लिए डेटा केंद्रों की बिजली खपत को वर्तमान कुल बिजली खपत के लगभग 30% से घटाकर लगभग 1.1% करने की उम्मीद है। शोधकर्ताओं का अनुमान है कि यदि इस तकनीक को अल्ट्रा-लार्ज-स्केल डेटा केंद्रों में पूरी तरह से लागू किया जाता है, तो समग्र शीतलन-संबंधी ऊर्जा खपत में 90% से अधिक की कमी होने की उम्मीद है, जो वर्तमान थर्मल इंजीनियरिंग द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली दक्षता सीमा के करीब पहुंच जाएगी।
अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी के अनुसार, वैश्विक डेटा सेंटर बिजली की खपत 2025 में 485 टेरावाट घंटे तक पहुंच जाएगी, जिसमें से लगभग 30% - एक मूल्य जो पहले से ही स्वीडन की वार्षिक बिजली खपत से अधिक है - का उपयोग शीतलन सुविधाओं के लिए किया जाता है। साथ ही, जनरेटिव आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के तेजी से विकास ने उद्योग को अधिक प्रत्यक्ष सौर ऊर्जा आपूर्ति प्राप्त करने के लिए अंतरिक्ष में डेटा सेंटर बनाने पर भी विचार करने के लिए प्रेरित किया है। और भी अधिक विडंबनापूर्ण बात यह है कि इन विशाल बिजली व्ययों में से एक तिहाई का कंप्यूटिंग से कोई लेना-देना नहीं है, बल्कि चिप्स द्वारा गर्मी में परिवर्तित विद्युत ऊर्जा को "दूर ले जाने" के लिए उपयोग किया जाता है।
उदाहरण के तौर पर एनवीडिया की जीबी200 चिप को लेते हुए, एक चिप की बिजली खपत 1,200 वाट तक पहुंच जाती है, और दैनिक बिजली खपत लगभग 28.8 किलोवाट घंटे है, जो एक औसत अमेरिकी घर की औसत दैनिक बिजली खपत के करीब है। अपरिहार्य जूल हीटिंग प्रभाव के कारण, ये 1200 वाट लगभग समान रूप से हीटिंग पावर में परिवर्तित हो जाते हैं, जो सैद्धांतिक रूप से केवल एक घंटे में 50 गिलास से अधिक पानी गर्म करने के लिए पर्याप्त है। यदि इनमें से हजारों या यहां तक कि सैकड़ों हजारों चिप्स को बिना किसी शीतलन हस्तक्षेप के रैक में घनी तरह से ढेर कर दिया जाता है, तो एक्सएआई के कोलोसस 1 डेटा सेंटर में अकेले 220,000 जीपीयू और 300 मेगावाट बिजली लगभग 785,000 वर्ग फुट जगह को एक घंटे में लगभग 1,200 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के लिए पर्याप्त है, जो मैग्मा से भी अधिक गर्म है। यह देखा जा सकता है कि डेटा केंद्रों के संचालन में शीतलन एक अपरिहार्य और यहां तक कि जीवन और मृत्यु की कड़ी बन गया है।
पेपर के पहले लेखक और मैकेनिकल इंजीनियर, बेहनूद बज़्मी ने बताया, "कूलिंग वर्तमान चिप डिजाइन की बाधा है। कंप्यूटिंग डिजाइन और विनिर्माण क्षमताओं के बीच अंतर को पाटकर, हमारा समाधान अधिक ऊर्जा-कुशल चिप्स और विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के तरल शीतलन के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है।" लंबे समय से, डेटा सेंटर मुख्य रूप से एयर कूलिंग पर निर्भर रहे हैं: सीपीयू और जीपीयू पर मेटल हीट सिंक स्थापित करना, पतले पंखों के माध्यम से हीट एक्सचेंज क्षेत्र का विस्तार करना, और इसे उच्च-शक्ति प्रशंसकों द्वारा मजबूर संवहन के साथ पूरक करना। एक विशाल एयर-हैंडलिंग प्रणाली को चलाने के लिए, यह विधि स्वयं बहुत अधिक बिजली की खपत करती है, और नई पीढ़ी के एआई एक्सेलेरेटर चिप्स की तेजी से बढ़ती गर्मी प्रवाह घनत्व के सामने, पारंपरिक वायु शीतलन तेजी से अपर्याप्त होता जा रहा है।
इसलिए, उद्योग प्रत्यक्ष चिप तरल शीतलन समाधानों में बदलाव को तेज कर रहा है, यानी, प्रोसेसर के ऊपर एक धातु "कोल्ड प्लेट" स्थापित करना, अपने आंतरिक छोटे चैनलों के माध्यम से शीतलक के प्रवाह को निर्देशित करना, और चिप गर्मी को जल्दी से नष्ट करना। बाजार में पारंपरिक कोल्ड प्लेटें लंबे समय से उपयोग में लाई जा रही हैं, लेकिन उनके आंतरिक पंखों और प्रवाह चैनलों का डिज़ाइन आम तौर पर प्रसंस्करण में आसानी को प्राथमिकता देता है। ज्यामितीय आकृतियाँ ज्यादातर आयताकार या बेलनाकार होती हैं, और सामग्री ज्यादातर एल्यूमीनियम मिश्र धातु या स्टेनलेस स्टील से बनी होती हैं। अंतिम ताप विनिमय प्रदर्शन और प्रवाह प्रतिरोध नियंत्रण को संतुलित करना मुश्किल है।
इलिनोइस विश्वविद्यालय की टीम का नवाचार सामग्री और पंख संरचना के दो प्रमुख पहलुओं पर केंद्रित है। शोधकर्ताओं ने टोपोलॉजी अनुकूलन विधियों का उपयोग किया और प्रवाह चैनल प्रतिरोध को ध्यान में रखते हुए गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र और थर्मल प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए पारंपरिक वर्ग स्तंभ और बेलनाकार ज्यामिति से अधिक जटिल, दांतेदार और तेज त्रि-आयामी आकार में विकसित होने वाली ठंडी प्लेट की आंतरिक सूक्ष्म संरचना को फिर से डिजाइन करने के लिए गणितीय अनुकूलन एल्गोरिदम पेश किया। क्योंकि इन अत्यधिक जटिल संरचनाओं को पारंपरिक प्रक्रियाओं के माध्यम से आर्थिक रूप से संसाधित करना लगभग असंभव है, टीम ने परत-दर-परत तरीके से सीधे वांछित आकार उत्पन्न करने के लिए उन्नत इलेक्ट्रोकेमिकल एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (ईसीएएम) की ओर रुख किया। सामग्री चयन के संदर्भ में, उन्होंने साहसपूर्वक शुद्ध तांबे का उपयोग किया, जिसमें उत्कृष्ट तापीय चालकता है लेकिन पारंपरिक 3डी प्रिंटिंग में इसे बारीक आकार देना बेहद मुश्किल है।
पेपर के संबंधित लेखक, मैकेनिकल इंजीनियर नेनाड मिल्जकोविक के अनुसार, ईसीएएम तकनीक शुद्ध तांबे को 30 से 50 माइक्रोन तक की बारीक विशेषताओं में संसाधित कर सकती है, जो मानव बाल के व्यास से भी छोटा है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि वाणिज्यिक पारंपरिक कोल्ड प्लेटों की तुलना में, शुद्ध तांबे से बनी यह टोपोलॉजी-अनुकूलित कोल्ड प्लेट तरल शीतलन स्थितियों के तहत शीतलन प्रदर्शन में लगभग 32% तक सुधार कर सकती है, जबकि सिस्टम के दबाव ड्रॉप को 68% तक कम कर सकती है। दबाव ड्रॉप में कमी का मतलब है कि प्रति यूनिट समय शीतलक परिसंचरण को बढ़ावा देने के लिए आवश्यक पंप शक्ति बहुत कम हो गई है। दोनों का संयोजन महत्वपूर्ण समग्र ऊर्जा खपत बचत लाता है।
अनुसंधान टीम ने आगे डेटा सेंटर के समग्र स्तर से मॉडलिंग विश्लेषण किया। वर्तमान परिदृश्य में जहां एयर कूलिंग अभी भी हावी है, 1 गीगावॉट की स्थापित क्षमता वाले डेटा सेंटर को अकेले कूलिंग बुनियादी ढांचे के लिए लगभग 550 मेगावाट अतिरिक्त बिजली की आवश्यकता हो सकती है। उनके द्वारा प्रस्तावित अनुकूलित तरल शीतलन समाधान को अपनाने के बाद, समान आकार की सुविधा की शीतलन बिजली की खपत लगभग 11 मेगावाट तक कम होने की उम्मीद है। दूसरे शब्दों में, बड़े पैमाने पर एआई हार्डवेयर द्वारा उत्पन्न अत्यधिक गर्मी के प्रभावी गर्मी अपव्यय को बनाए रखते हुए, शीतलन की ऊर्जा खपत वर्तमान लगभग 30% से 35% से लगभग 1.1% तक संपीड़ित होने की उम्मीद है, जो कुल मिलाकर 95% से अधिक की कमी है।
यदि इन मॉडल भविष्यवाणियों को वास्तविक हाइपरस्केल परिनियोजन में पुन: प्रस्तुत किया जा सकता है, तो डेटा सेंटर ऊर्जा दक्षता पर प्रभाव क्रांतिकारी होगा। अनुसंधान टीम के अनुमान के अनुसार, यह प्रणाली डेटा सेंटर को लगभग 1.011 की बिजली उपयोग दक्षता (पीयूई) प्राप्त करने में मदद कर सकती है, जिसका अर्थ है कि पावर ग्रिड से लगभग हर वाट बिजली इनपुट का उपयोग सीधे कंप्यूटिंग के लिए किया जाता है, न कि शीतलन, ट्रांसमिशन और वितरण हानि, या प्रकाश व्यवस्था जैसे सहायक साधनों में खपत होने के बजाय। तुलना के लिए, दुनिया के अधिकांश उन्नत अल्ट्रा-लार्ज-स्केल डेटा सेंटर PUE 1.1 और 1.3 के बीच हैं, जबकि सैद्धांतिक "परफेक्ट" डेटा सेंटर PUE 1.0 है, यानी कूलिंग और सहायक बुनियादी ढांचे पर कोई ऊर्जा बर्बाद नहीं होती है।
बेशक, अनुसंधान टीम ने यह भी स्वीकार किया कि संपूर्ण डेटा सेंटर की ऊर्जा खपत पर मौजूदा आंकड़े अभी भी मॉडल कटौती चरण में हैं और वास्तविक गीगावाट-स्तरीय डेटा केंद्रों के ऑन-साइट माप परिणामों पर आधारित नहीं हैं। फिर भी, यदि प्रौद्योगिकी बड़े पैमाने पर तैनाती में उम्मीद के मुताबिक प्रदर्शन बनाए रख सकती है, तो इसमें वर्तमान एआई बूम - डेटा सेंटर कूलिंग के पीछे सबसे बड़ी अनदेखी छिपी हुई ऊर्जा खपत को कम करने की क्षमता है। शोधकर्ताओं का मानना है कि उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ डिजाइन अनुकूलन के संयोजन का यह विचार डेटा केंद्रों तक ही सीमित नहीं है, बल्कि इसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और यहां तक कि अन्य इंजीनियरिंग क्षेत्रों की एक विस्तृत श्रृंखला तक भी विस्तारित किया जा सकता है, जिनके लिए कुशल थर्मल प्रबंधन की आवश्यकता होती है।