Tecnologia pesquisada na Coppe poderá baratear em 60% o resfriamento de supercomputadores

O crescimento rápido da capacidade de processamento computacional tem tornado o resfriamento de equipamentos eletrônicos um desafio mundial maior a cada ano. O custo anual para o resfriamento de equipamentos, em nível mundial, é estimado em três bilhões de dólares. Para superar esse desafio, pesquisadores da Coppe/UFRJ estão trabalhando no desenvolvimento de um sistema bifásico (líquido-gasoso) de resfriamento, que poderá reduzir em até 60% o custo de resfriamento dos chamados supercomputadores.

Sob a coordenação do professor Gustavo Rabello dos Anjos, do Programa de Engenharia Mecânica da Coppe, a tecnologia poderá reduzir custos e impactos no meio ambiente, já que o resfriamento monofásico (apenas com ar ou líquido), método mais usado para o controle térmico de computadores de alto processamento, requer quase metade da energia consumida pelos próprios equipamentos.

“Durante a evaporação de líquidos, a remoção de calor de unidades de processamento é ordens de grandeza maior quando comparadas a sistemas monofásicos, onde não há mudança de fase (evaporação). O sistema bifásico traz desafios de design devido à presença de duas fases no dispositivo de resfriamento e a consequente exigência de controle deste sistema. O objetivo é aumentar a compreensão do fenômeno usando métodos computacionais avançados. As simulações podem ajudar no projeto de equipamentos de resfriamento de baixo custo e eficientes”, esclarece o professor da Coppe.

Segundo Gustavo R. Anjos, apesar do apoio fundamental da Fundação de Amparo à Pesquisa do estado do Rio de Janeiro (Faperj), desde 2015, em projetos relacionados à simulação numérica de escoamentos bifásicos, o investimento no Brasil para este tipo de pesquisa é baixíssimo, e devido à carência que o país tem de investimentos na área, a parceria internacional se torna fundamental. “Uma plataforma numérica para estudo de escoamentos bifásicos com transferência de calor e massa usando o método de elementos finitos em malhas dinâmicas vem sendo continuamente desenvolvida por mim e colaboradores, permitindo descrição de fenômenos interfaciais com grande precisão. O professor Prashant Valluri, da Universidade de Edimburgo, na Escócia, agregará técnicas avançadas de machine learning (aprendizado de máquina) e análise experimental de sistemas bifásicos. A ideia desta colaboração internacional é fomentar e estender a parceria em longo prazo, incluindo intercâmbio de alunos e professores”, complementa.

A tecnologia usada atualmente para a refrigeração de computadores através de ventoinhas e resfriamento por líquido é mais simples, no entanto o desempenho térmico e a capacidade de remoção de calor é muito maior no sistema bifásico. “A dinâmica é mais complexa devido à presença de interface separando os fluidos no sistema bifásico, mas não requer equipamentos mais sofisticados e de maior porte. Há pesquisas em curso para a miniaturização dos dispositivos necessários. O ganho de desempenho compensa e a mudança é inevitável, pois a tecnologia atual não mais acompanha o crescimento do poder de processamento. Essa transição está em curso e deverá se intensificar nos próximos anos”, afirmou.

De acordo com o professor da Coppe, comparado ao resfriamento monofásico, o bifásico permite baixa vazão de fluidos de trabalho, com isso exigindo menor potência de bombeamento, aumento da uniformidade de temperatura ao longo da superfície de troca de calor, consequentemente aumentando a vida útil do componente eletrônico e redução em até 60% do consumo elétrico.

No Brasil, essa tecnologia beneficiaria, por exemplo, os dois mais robustos computadores de alto desempenho do país, o Santos Dumont, operado pelo Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), e o Lobo Carneiro, da Coppe; projetos aeroespaciais como o recém-lançado satélite Amazônia-1; além de empresas especializadas em componentes eletrônicos, entre diversas outras aplicações.

O projeto intitulado Advanced Cooling of high power microsystems using Two-Phase Flows Systems in complex geometries (ACoolTPS) é financiado pelo Newton Fund, parte do Official Development Assistance (ODA) do Reino Unido, por meio do programa Royal Society – Newton Advanced Fellowship com duração de dois anos e investimentos na ordem de meio milhão de reais.

Lançado em 2014, o Newton Fund (Fundo Newton) é uma iniciativa do governo britânico que visa promover o desenvolvimento social e econômico dos países parceiros, por meio de pesquisa, ciência e da tecnologia. Até 2021, os investimentos do Fundo chegarão a 735 milhões de libras em projetos de pesquisa envolvendo o Reino Unido e outros 17 países. A Royal Society, por sua vez é a mais antiga instituição destinada à promoção do conhecimento científico do mundo, fundada em 1660, em Londres.