Así se refrigerarán las CPU y GPU del futuro: cold plates impresos en 3D y diseñados con IA
El sector de los procesadores y las tarjetas gráficas está en un cuello de botella en cuanto a TDP se refiere. Hemos pasado de refrigerarlos en una minoría con agua o inmersión, a que la tónica habitual sea esta. Como los procesadores y gráficas se acercan peligrosamente a los 500W, la industria está invirtiendo mucho dinero en sistemas de refrigeración avanzados. El primer paso para conseguir mejorar la refrigeración se denomina como ECAM, y puede ser algo revolucionario si se consigue a gran escala.
En cuanto a líquidos se refiere, de momento, a temperatura ambiente, no hay realmente nada destacable que logre mejorar la transferencia de calor o el flujo. En materiales es todavía peor, porque aunque los hay y en abundancia, el coste es inasumible para ser rentable, y ahora, con lo que vamos a ver, la gran mayoría no se podrá usar, ¿qué podemos hacer entonces?
El ser humano ha llegado al límite de la tecnología de refrigeración para CPU y GPU en la actualidad
Necesitamos poder refrigerar y disipar mayor calor para mantener las temperaturas de funcionamiento de los chips a raya. Es imperativo conseguirlo, porque si no será el mayor cuello de botella en apenas unos pocos años. Aquí entra la empresa Fabric8Labs, la cual está en pleno proceso de I+D de su tecnología ECAM, la cual ya ha mostrado los primeros resultados, muy alentadores hay que decir.
Todo se basa en cold plates, pero el problema que presentan es que los sistemas jet mediante microcanales han llegado al límite físico de rendimiento. A día de hoy, un bloque de agua de alto rendimiento tiene microcanales de 100 micrómetros. Marcas como EKWB o Alphacool no pueden seguir mejorando en este aspecto y han centrado sus esfuerzos en lograr más presión y velocidad del agua así como más superficie de contacto para lograr que al calentarse el agua, se evacue del bloque a mayor velocidad, pero no hay nada más.
El problema es que esto también tiene un límite, puesto que si seguimos por ese camino habrá una erosión en el níquel o cobre (dependiendo de si está bañado el segundo en el primero o no), donde además los tubos también se degradarán. Ese límite está fijado en la industria por una velocidad de 2 metros por segundo, en algunos tipos de tubos y cobre menos puro y peor ejecutados esa cifra baja a 1,5 metros por segundo.
Por lo tanto, volvemos al principio cuando decimos que hemos llegado al límite y que solo se puede seguir mejorando por poco tiempo teniendo más superficie de contacto (más área total), pero nada más.
Fabric8Labs ha creado la primera impresión en 3D para cold plate
La industria actual se está pasando al diseño de impresión 3D, pero esto solo reduce costes y tiempo, donde se presentan problemas como el uso de Powders, que tras completarse la impresión tienen que ser retirados, mermando el cobre.
Por suerte, Fabric8Labs, una nueva empresa de refrigeración para chips, ha dado con una clave ante esto. La impresión 3D que ellos consiguen es mucho más pura y muchísimo más compleja que en los mejores diseños que hemos ido viendo en los últimos tiempos. La ventaja principal, según afirman, es que utilizan en su fabricación aditivos electroquímicos en vez de Powders, por lo que pueden crear diseños más complejos.
Por ejemplo, y tras lo que han mostrado, pueden crear microcanales verticales de varias alturas, es decir, no trabajan en el eje X, sino que también lo hacen en el Z y también en el Y. Por ello, estos cold plates sí que son realmente diseños de impresión 3D.
La técnica en concreto ha sido denominada como ECAM o Electrochemical Additive Manufacturing y como vemos en el cuadro superior, tiene una serie de ventajas muy claras. Comenzando con un coste más bajo, un tamaño que es tres veces más pequeño en los fins y una conductividad en el cobre que está entre el 94% y el 98%. Es decir, solo pierden en el peor de los casos y tras la impresión un 6% de pureza, mientras que en el mejor es un 2%.
ECAM: diseño de impresión 3D con IA generativa
El proceso de impresión lo controla un software propietario que está basado en un algoritmo de IA para patrones en 3D. El proceso consta de 5 pasos:
- Se corta el modelo 3D en capas.
- El software con IA detecta e interpreta el modelo 3D.
- Se inyecta el cobre a través del cabezal de impresión.
- Varios cientos de microelectrodos en el cabezal de impresión se activan para posicionar el cobre.
- La electricidad enfocada a un campo en concreto del cold plate deposita el cobre con una precisión de 30 micrómetros.
- Para finalizar, la IA interpreta y analiza la deposición a cada inyección de cobre en tiempo real, lo que ayuda a mejorar en el siguiente paso la calidad final.
Entendido cómo funciona, ¿qué se puede llegar a hacer con una tecnología tan revolucionaria? ¿Cuál es el mejor patrón a seguir para mejorar el traspaso de calor y flujo en un cold plate? Bueno, es una pregunta compleja que irá cambiando con el tiempo y los diseños, pero por ahora Fabric8Labs asegura que lo mejor que han probado es el llamado Gyroid, o también conocido como estructura giroide.
Este tipo de estructura se forma en base a unas propiedades de resistencia muy altas y un paso del flujo muy optimizado. Se les dice comúnmente estructuras triplemente periódicas, ¿por qué? Porque tienen tres funciones que hacen mejor que cualquier otra que se haya diseñado.
La primera es que pueden ser usadas como aislante térmico, algo que aquí no queremos. La segunda es que intercambian mucho mejor el calor, algo que buscamos, mientras que la tercera es una propiedad curiosa, y no es más que la mejor absorción de la energía. Cada diseño, según lo que se quiera buscar, irá enfocado a uno de estos tres pilares, donde evidentemente Fabric8Labs ha escogido el segundo punto.
ECAM con distintas aperturas, ¿más es mejor?
Teniendo claro lo que es un Gyroid, entra la siguiente pregunta en juego, ¿qué porcentaje de apertura entre cada Gyroid es recomendable? Los chicos de Fabric8Labs han probado dos diseños enfocados a un procesador: una apertura del 50% y una apertura del 80%. La tabla superior muestra el grosor, la superficie de área por unidad de volumen y la apertura de los diseños.
La precisión para lograr un 50% y un 80% es exacta. Si hemos imprimido en 3D alguna vez sabemos que hay una tolerancia muy grande, y eso que la inyección del material no es un metal como tal.
Por eso, para los porcentajes nombrados, hablar de un 50,3% y un 80,2% es una tolerancia ínfima, es un diseño casi perfecto, por lo que sumado a su bajo coste y la "rapidez" con la que se puede fabricar un cold plate hacen de ECAM la mejor forma de crear un sistema de refrigeración del mundo... Pero, ¿y el rendimiento?
Para medir el rendimiento, Fabric8Labs dispuso una serie de test en un circuito con un bloque que hacía de heater de 10 x 10 mm que podía calentar entre 100W y 1000W. ¿Qué creéis que lograron ambos diseños de ECAM frente a un cold plate tradicional de fins?
En la restricción está la diferencia y el rendimiento
Si sabes algo de dinámica de fluidos y termodinámica aplicada a cold plates, bombas y procesadores sabrás que hay una fina línea entre restricción y rendimiento. Normalmente, a mayor restricción se consigue un mayor rendimiento, porque los diseños son capaces de intercambiar mejor el calor entre el agua y el cobre.
Pero todo tiene un límite, y las compañías como EKWB, Alphacool, Bitspower, y otras tantas, han jugado un poco con ello, donde a mayor restricción implica menor flujo de salida, lo que merma el rendimiento.
Es decir, crear un sistema Jet con fins (microchannels) muy restrictivos puede conseguir una mejor temperatura en la CPU, pero si mermas demasiado el flujo la mejora no es palpable, porque el flujo sigue siendo, y lo seguirá en el futuro, el concepto más importante en un sistema de refrigeración por agua (y por aire, vaya). Mejor intercambio, pero mucho menos flujo, mala combinación.
Dicho de otra manera, si no hay flujo alto resultante y final, no hay rendimiento térmico por mucha restricción o presión que quieras introducir al circuito para mejorar la temperatura. Por ello, en las reviews siempre se mide el flujo resultante en la salida del bloque. Encontrar el equilibrio entre resistencia y flujo para lograr el mejor rendimiento está la clave. Todo lo que acabamos de comentar sirve de introducción para lo que vamos a ver con los dos diseños ECAM de 50% y 80% de apertura, así que vamos allá.
ECAM 50% vs ECAM 80% ¿quién es el mejor? ¿Superan a los fins tradicionales?
Los datos superiores muestran la respuesta. El diseño de 80% es apenas algo mejor que el de fins (microchannels) tradicionales que usamos hoy en día, pero el de 50%... Este logra una mejora del 35%, pero ¿por qué? La IA generativa muestra en 2D qué está pasando.
Como vemos, la entrada de agua y la salida de la misma evidencian que el sistema y diseño de 50% favorece el flujo interno entre los microcanales 3D que se han creado.
El diseño al 80% de apertura no logra la suficiente resistencia y expulsa el agua demasiado rápido, por lo que la transferencia de calor se produce en menor medida al reducir el tiempo de contacto entre el cobre y el agua.
En definitiva, un diseño como el de 50%, siendo mucho más restrictivo, consigue impulsar el rendimiento en unos porcentajes que parecen ciencia ficción a día de hoy. Un 35% es dinamitar toda la industria de la refrigeración líquida en una sola tacada, es un nuevo concepto que todos querrán implementar, puesto que las mejoras entre generaciones actuales son de un dígito y no superiores al 5% en el mejor de los casos.
Conclusiones
El diseño por ECAM es, de momento, lo mejor que se ha creado desde los microchannels y por bastante. Todo son ventajas hasta ahora, así que vamos a comentar las desventajas que hay que solventar en un futuro. La primera es la imposibilidad de usar distintos metales. De momento el cobre es el único que ha dado buen resultado, el aluminio (para los disipadores, por ejemplo) está de camino, pero enfrenta varios obstáculos según la compañía.
La segunda y última es la velocidad de impresión. Fabric8Labs asegura que ahora mismo se imprime entre 1 mm y 2 mm por hora en lo vertical y entre 3 mm y 4 mm en lo horizontal. Por lo tanto, aumentar dichas velocidades será clave para reducir todavía más los costes.
Para ello, la empresa está en un nuevo diseño de I+D y quiere construir una instalación específica en 2024 en San Diego, así que conforme le lleguen más pedidos o más inversión de empresas conjuntas se plantean compartir las fábricas para impulsar todavía más el I+D.
También buscan financiación obviamente, así que es más que probable que muchas empresas de diseño de servidores para centros de datos estén interesadas en la tecnología ECAM, puesto que es un salto cualitativo y cuantitativo en el segmento de la refrigeración líquida para CPU y GPU.