Impressão 3D e IA: Universidade de Illinois Desenvolve Solução Inovadora para Resfriamento de Chips

Engenheiros mecânicos da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveram uma nova abordagem para resfriar chips de computador que pode reduzir significativamente a energia que os data centers gastam com gerenciamento térmico. O método, publicado na Cell Reports Physical Science, combina um algoritmo de design matemático com um processo de impressão 3D eletroquímica para fabricar placas frias de cobre puro. Essas placas são componentes montados diretamente nos chips para dissipar o calor.

Em comparação com os sistemas convencionais de resfriamento a ar, essa nova tecnologia poderia diminuir a energia dedicada ao resfriamento de mais de 30% para aproximadamente 1,1% do consumo total de um data center, representando um avanço notável na eficiência energética.

"O resfriamento é o gargalo no design de chips de computador. Ao preencher a lacuna entre o design computacional e a capacidade de fabricação, nossa abordagem oferece um caminho para um resfriamento líquido mais eficiente em termos de energia para chips e outros eletrônicos."

O Desafio do Resfriamento de Chips e a Solução da Manufatura Aditiva

Por quatro a cinco décadas, o ar circulante tem sido o método padrão para evitar o superaquecimento dos processadores. O problema é que os chips modernos geram muito mais calor do que o ar pode dissipar eficientemente. Com a proliferação de data centers para atender à demanda de serviços como inteligência artificial generativa e armazenamento em nuvem, o consumo coletivo de energia está aumentando drasticamente – projeções sugerem que eles podem responder por até 12% da carga da rede nacional dos EUA até 2028.

O resfriamento líquido direto no chip surgiu como uma alternativa mais viável. Nesses sistemas, uma placa fria é montada diretamente no chip, e um líquido refrigerante flui por protuberâncias metálicas densamente compactadas, chamadas aletas, que aumentam a superfície de contato entre o líquido e o componente quente. Versões comerciais dessa tecnologia já existem, mas foram projetadas com foco no custo, não no desempenho. A nova pesquisa aborda essa compensação diretamente, buscando otimização máxima.

Otimização de Topologia e a Fabricação de Geometrias Complexas

A inovação central reside em uma técnica computacional chamada otimização de topologia. Partindo de uma forma de aleta retangular simples, um algoritmo refina iterativamente a geometria, avaliando a cada passo quanto calor a aleta transfere e quanta energia é necessária para empurrar o líquido refrigerante através dela. O processo converge para uma forma termicamente ótima, mas com seus picos pontiagudos e bordas irregulares, essa forma é complexa demais para ser produzida por usinagem convencional.

Para superar essa limitação, a equipe fez parceria com a Fabric8Labs para utilizar a fabricação aditiva eletroquímica (ECAM), um processo que constrói estruturas de cobre camada por camada por meio de chapeamento eletroquímico, em vez de fusão ou fundição. Isso permite uma resolução de recursos tão fina quanto 30 a 50 micrômetros e torna possível fabricar em cobre puro, um material raramente usado na impressão 3D devido à sua dificuldade de processamento, mas altamente valorizado por sua condutividade térmica superior.

"A ECAM pode fabricar peças de cobre puro com detalhes muito finos, de 30 a 50 microns, menos que a largura de um cabelo humano."

Resultados Promissores para Data Centers

Testes comparativos diretos contra placas frias padrão com aletas retangulares mostraram que o design otimizado alcançou até 32% melhor capacidade de resfriamento. Além disso, reduziu a queda de pressão – a resistência que a bomba deve superar para empurrar o fluido – em até 68% com desempenho térmico equivalente. Essa redução de pressão se traduz diretamente em menores requisitos de energia de bombeamento.

Dimensionado para um data center de 1 gigawatt, os números são impressionantes: o resfriamento a ar convencional consumiria cerca de 550 megawatts apenas para gerenciamento térmico, elevando o consumo total da instalação para 1,55 gigawatts. Com as novas placas frias, os data centers precisariam usar apenas 11 megawatts para resfriamento em vez de 550 megawatts, uma economia massiva.

Além dos data centers, os pesquisadores observam que o mesmo fluxo de trabalho de design e fabricação poderia ser adaptado para desafios de resfriamento em diferentes escalas e indústrias, abrindo portas para diversas aplicações.

Onde a Indústria Tem Buscado Inovação

O desafio de imprimir em 3D cobre puro para gerenciamento térmico não é novo. No entanto, produzi-lo com a complexidade geométrica necessária para resfriamento de alto desempenho permaneceu um objetivo difícil de alcançar. A alta refletividade e condutividade térmica do cobre o tornam notoriamente difícil de processar com métodos convencionais baseados em laser, um problema que o setor tem abordado há anos.

Entre os esforços mais direcionados, a Fabric8Labs foi selecionada pela AEWIN Technologies para fornecer componentes de gerenciamento térmico para seus sistemas Edge AI de próxima geração. A AEWIN implantou placas de caldeira de micro-malha 3D baseadas em ECAM que expandem a área de superfície do trocador de calor em mais de 900% e oferecem melhorias térmicas maiores que 1,3°C por 100W em comparação com outras alternativas convencionais. Essa colaboração demonstrou a viabilidade comercial da ECAM, mas não integrou a otimização algorítmica de forma ao processo de design.

Separadamente, a Alloyed desenvolveu uma placa de resfriamento de cobre impressa em 3D projetada para uso em sistemas de computação de alta temperatura, como data centers, apresentando uma geometria de treliça que combina desempenho com uso reduzido de material. No lado do resfriamento passivo, o Danish Technological Institute e a Heatflow desenvolveram um componente de resfriamento impresso em 3D para data centers destinado a reduzir o consumo de energia, usando um sistema baseado em evaporação que não requer bombas e imprimindo em 3D o evaporador em alumínio como um único componente integrado.

O que o trabalho da Universidade de Illinois adiciona é o elo perdido: um fluxo de trabalho onde a própria geometria é derivada da otimização, não aproximada, e então fabricada em um material, cobre puro, que a maioria dos processos aditivos não consegue entregar de forma confiável. A combinação de otimização de topologia e ECAM fecha uma lacuna que esforços anteriores abordaram apenas de um lado por vez, representando um avanço significativo.

Perspectiva Koios

Na Koios, vemos essa inovação como um exemplo claro do potencial da manufatura aditiva para otimizar componentes críticos. Nossa experiência com a impressão 3D de alta resolução e materiais específicos nos mostra como a tecnologia pode ser aplicada para resolver desafios complexos, como o resfriamento de chips, que impactam diretamente a sustentabilidade e eficiência energética, um tema cada vez mais relevante no Brasil.

<em>Fonte: <a href="https://3dprintingindustry.com/news/university-of-illinois-team-is-engineering-the-fix-for-the-ai-heat-crisis-251571/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">3dprintingindustry.com</a></em>