Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Water koelt hete chips
Door de komst van internet nam het aantal datacenters explosief toe. Maar de steeds sneller wordende processoren worden heter en heter. Vloeistofkoeling lijkt de oplossing om datacenters nog sneller én CO2-neutraal te maken.

De al decennialang geldende Wet van Moore – die stelt dat elke anderhalf tot twee jaar het aantal transistors op een computerchip verdubbelt – dreigt in gevaar te komen. Niet omdat de transistors niet meer steeds kleiner gemaakt kunnen worden, maar omdat ze te heet worden. Dit probleem speelt vooral bij datacenters, waar het luchtkoelingsysteem net zoveel energie verbruikt als de rekenprocessen van de computerchips.

Dubbel verbruik
In 2009 verbruikten datacenters wereldwijd naar schatting van de International Data Corporation 330 terawattuur (TWh) aan elektriciteit, ongeveer twee procent van de totale wereldconsumptie. En dat vertaalt zich in ongeveer 200 miljoen ton CO2-uitstoot per jaar, zo staat te lezen in Science deze week. ICT-dienstverlener IBM wil via deze publicatie aandacht vragen voor haar streven om met vloeistofkoeling zoveel mogelijk energie terug te winnen.

‘Ons streven is om binnen vijf jaar een nagenoeg emissieloos datacenter te kunnen bouwen’, vertelt dr. Bruno Michel, Manager Advanced Thermal Packaging van IBM Research in Zürich. ‘Dat willen we bereiken door met vloeistofkoeling het grootste deel van de hitte-energie terug te winnen. Theoretisch is dat mogelijk, want volgens de Wet van behoud van energie wordt praktisch alle elektriciteit in computerchips omgezet in hitte.’

Vloeistofbuisjes
Nu worden datacenters gekoeld door grote hoeveelheid lucht over de computerchips heen te blazen. De uitgaande lucht heeft een temperatuur van ongeveer dertig graden en is - in sommige gevallen, en dan nog maar deels - lokaal te benutten voor de verwarming van kantoorruimtes. ‘Een vloeistof heeft echter een veel grotere dichtheid dan lucht, waardoor het de computerchips veel directer kan koelen’, legt IT-expert Aernoud van de Graaff uit. Hij is binnen IBM verantwoordelijk voor ‘groene IT’.

‘In de huidige vloeistofgekoelde systemen lopen vloeistofbuisjes direct over de chips heen. Hierdoor is er een hele directe warmteuitwisseling en kan de temperatuur van de vloeistof vrij hoog zijn, zo’n zestig graden Celsius. Dit koelt de chips dan af naar een bedrijfstemperatuur van ongeveer zeventig graden Celsius. Een groot voordeel hiervan is dat het hete uitgaande water veel beter is her te gebruiken en eventueel ook is te transporteren over langere afstanden’, aldus Van de Graaff.

Aquasar
‘Enkele dagen geleden zijn we op de ETH-universiteit in Zürich het pilotproject Aquasar gestart met een vloeistofgekoeld datacenter’, vertelt Michel. ‘De teruggewonnen energie wordt gebruikt om de gebouwen van de Computer Science Department in de winter te verwarmen en in de zomer te koelen.’ In tegenstelling tot wat de naam Aquasar doet vermoeden, draait het gesloten koelsysteem niet op water maar op een vloeistof die bij lekkage geen schade toebrengt aan de elektronica.

Exacte cijfers over hoeveel energie die Aquasar kan terugwinnen zijn nog niet bekend, maar volgens Aernoud van de Graaff is het nu al mogelijk om met de meest moderne apparatuur dertig tot veertig procent aan energie te hergebruiken. ‘Onze doelstelling is om tachtig procent terug te kunnen winnen en zo op de langere termijn naar een cradle-to-cradle-oplossing te gaan.’

3D Chips
Een tweede groot voordeel van vloeistofkoeling is dat het mogelijk maakt om lagen computerchips zeer compact op elkaar te stapelen. ‘Met lucht valt dat praktisch niet te koelen, maar wel door met vloeistof rechtstreeks op de chips te koelen’, legt Van de Graaff uit. ‘In de toekomst kunnen de buisjes door verdere miniaturisering zelfs door de chips heen lopen.’

Een computersysteem met vloeistof- in plaats van luchtkoeling is op die manier tien tot honderd keer zo compact te bouwen. Deze zogenaamde 3D stapeling van computerchips betekent volgens Bruno Michel de ‘redding voor de Wet van Moore’.

Chips op licht
Vloeistofkoeling zal geleidelijk bij datacenters en daarna ook voor servers worden ingevoerd. Voor kleinere toepassingen is vloeistofkoeling echter niet geschikt, aangezien daarbij te weinig energie valt terug te winnen.

Volgens Van de Graaff is vloeistofkoeling pure noodzaak om door te kunnen groeien, maar in de verdere toekomst speelt het hitteprobleem met computerchips mogelijk helemaal niet meer. ‘Over acht tot tien jaar hebben we naar verwachting chips die communiceren met licht in plaats van elektriciteit. De prototypes daarvan draaien nu al in onze laboratoria. Als die ontwikkeling doorzet dan wordt het koelingprobleem vanzelf opgelost.’

Paul Schilperoord

G.I. Meijer, ‘Cooling Energy-Hungry Data Centers’ in Science, 15 april 2010.