Participe de qualquer conferência de data center e você encontrará uma infinidade de novas soluções de resfriamento projetadas para atender às necessidades das melhores e mais recentes tecnologias.

Com cerca de 700 W e além, o resfriamento a ar para chips torna-se cada vez mais difícil e o resfriamento líquido se torna a única opção realista.

As GPUs H100 da Nvidia podem ser dimensionadas até um ponto de design térmico (TDP) de 700 W, e suas GPUs Blackwell podem operar atualmente em até 1.200 W. O recém-anunciado Blackwell Ultra da empresa, também conhecido como GB300, está programado para operar com um TDP de 1.400 W, enquanto o MI355X da AMD opera com um TDP de 1.100 W.

Recentemente, a empresa de refrigeração líquida Accelsius realizou um teste para mostrar que poderia resfriar chips de até 4.500 watts. A Accelsius afirma que poderia ter ido ainda mais alto, mas foi limitada por sua infraestrutura de teste, e não pelo próprio sistema de resfriamento.

Mas a realidade é que, embora grande parte da empolgação e do drama no setor se concentre nas necessidades de hardware de IA, a maioria das cargas de trabalho nos data centers não está sendo executada nessas GPUs poderosas. A densidade desses racks também está aumentando, se não no mesmo nível, e muitas empresas não estão dispostas a remover e substituir totalmente os sistemas de resfriamento em programas caros e complexos.

Enquanto muitas empresas estão procurando reinventar a roda com novas configurações de resfriamento chamativas, um grande grupo de operadores de data center está focado em refinar seus sistemas existentes, procurando desbloquear eficiências adicionais sempre que possível e melhorar seus recursos de resfriamento a uma taxa apropriada para suas necessidades. Uma maneira de fazer isso é otimizar o fluido usado nos sistemas de resfriamento existentes.

Mudanças em nanoescala

Uma grande parte das soluções de "resfriamento a ar" ainda usa líquido em algum ponto do sistema - geralmente água ou uma mistura de glicol e água. Quando se trata da escolha do fluido, a água é normalmente considerada mais eficiente na transferência de calor, mas a água-glicol pode ser mais adequada quando a proteção contra congelamento é necessária.

Mas, independentemente de ser uma base de água ou mistura de glicol, a empresa irlandesa HT Materials Science (HTMS) diz que pode tornar seu sistema mais eficiente com "nanopartículas".

A HTMS foi fundada em 2018 por Tom Grizzetti, Arturo de Risi e Rudy Holesek.

De acordo com Grizetti, a solução Maxwell da empresa decorre de uma iniciativa de pesquisa que começou há mais de 15 anos na Università del Salento em Lecce, Itália.

A equipe estava explorando como a nanotecnologia poderia ser usada para melhorar fundamentalmente a transferência de calor em sistemas de fluidos. Grizetti diz sobre aquela época: "É um daqueles raros cenários de startups em que a ciência profunda atende a uma necessidade do mercado do mundo real no momento certo".

Até o momento, a base de clientes da HTMS não tem sido principalmente de data centers, com sua solução atualmente implantada em locais industriais e centros de atendimento da Amazon, mas a empresa está visando o setor e conversando com as operadoras porque, segundo ela, pode ver um forte caso de uso.

As nanopartículas são partículas ultrafinas e minúsculas. No caso da solução "Maxwell" da HTMS, essas partículas têm mais de 100 nanômetros de tamanho e são feitas de óxido de alumínio.

"Nosso produto é um aditivo de fluido simples que entra em qualquer sistema hidráulico de circuito fechado, sejam chillers refrigerados a ar ou o lado do vapor de chillers de resfriamento a água", explica Ben Taylor, vice-presidente sênior de vendas e desenvolvimento de negócios da HTMS.

Taylor faz a afirmação ousada de que Maxwell melhorará a eficiência em "todos os trocadores de calor no circuito - seja o evaporador, o barril, o resfriador, a bobina ou o manipulador de ar - todos eles veem melhores capacidades de transferência de calor".

O alumínio é bem conhecido por suas propriedades de transferência de calor. O metal sozinho tem uma condutividade térmica de aproximadamente 237 W/mK (Watts por metro por Kelvin), e o composto de óxido de alumínio (também conhecido como alumina) tem uma condutividade térmica relativamente alta para um material cerâmico, normalmente em torno de 30 W/mK.

Embora tenha uma condutividade térmica mais baixa do que o alumínio puro, a alumina é mais adequada para sistemas de refrigeração, pois possui maior estabilidade e durabilidade, o que significa que funciona bem em aplicações de alta temperatura e alta pressão e oferece melhor resistência à corrosão. Tudo isso foi apoiado por vários estudos científicos, incluindo o artigo 'Estudo experimental das características de resfriamento de nanofluido de alumina à base de água em um dissipador de calor de minicanal, publicado na revista Case Studies in Thermal Engineering.

O fato é que, embora a alumina seja um aditivo bem estabelecido para soluções de condutividade térmica, ela não é amplamente adotada pela indústria de data centers. Durante a conferência Yotta em Las Vegas em 2024, a DCD se reuniu com a HTMS e perguntou sobre a concorrência no setor - apenas para ser informada de que, atualmente, eles não estão realmente enfrentando nenhuma.

A solução de nanopartículas pode ser injetada em sistemas de resfriamento novos e antigos, diz Taylor: "Você obtém mais eficiência em seu sistema e, mesmo que seja um sistema mais antigo, pode começar a fazer mais do que pensava que poderia", diz ele.

Para muitos operadores de data center, isso é música para seus ouvidos. Remover e substituir sistemas de resfriamento custa tempo e dinheiro, mas com as crescentes necessidades de resfriamento de hardware e o aumento das pressões regulatórias em muitos mercados, a eficiência de refrigeração é fundamental.

Existem, é claro, custos iniciais associados à instalação dos fluidos de transferência de calor, mas a HTMS estima que as empresas veem o retorno disso dentro de três anos, e algumas em menos de um ano.

Eficiência e impacto ambiental

Do ponto de vista da sustentabilidade, Taylor diz que a pegada de carbono da Maxwell é baixa. "Muitos clientes atingirão o ponto de equilíbrio nas emissões de CO2 dentro da marca de um a três meses", diz ele.

"Estamos vendo sistemas existentes que precisam de mais capacidade e novos sistemas que estão tentando ser o mais eficientes possível, porque muitos deles vão começar a ocupar grande parte da rede elétrica - e muitos já estão usando muita energia”.

"Eles estão procurando um sistema mais eficiente em termos de energia, e uma opção poderia ser um resfriador refrigerado a água configurado com torres de resfriamento de célula aberta. Mas, embora sejam mais eficientes em termos de energia, são caros em termos de consumo de água", explica ele, acrescentando que o Maxwell só pode ser usado em um sistema de circuito fechado.

Ele continua: "Os aditivos são nanopartículas, portanto, se estiverem abertos ao meio ambiente, especialmente em uma torre de resfriamento de célula aberta, podem simplesmente ser levados pelo vento”.

"A outra razão é que temos um requisito de pH. Normalmente ficamos em torno de 10 a 10,5, o que é bastante normal em um sistema de glicol, mas é um pouco mais alto do que você esperaria em um sistema de água. E se eles estiverem abertos para a atmosfera, o pH continuará caindo”.

As melhorias observadas nas habilidades de resfriamento variam dependendo de se o cliente usa água ou uma mistura de glicol. Quando Maxwell é injetado no sistema a uma concentração de dois por cento, Taylor diz que um sistema somente de água pode ver um aumento de cerca de 15% nas habilidades de transferência de calor e, em seguida, com uma mistura de cerca de 30 a 40% de glicol, essa concentração de 2% pode melhorar a capacidade de transferência de calor em até 26%.

A implantação do Maxwell é um processo simples, diz Taylor. "Temos tudo pré-misturado e depois injetamos em um sistema", diz ele. "Precisamos que as bombas estejam funcionando, a menos que estejamos enchendo o sistema logo de cara".

O HTMS geralmente recomenda também a instalação de uma "unidade de reposição e manutenção" (MMU) no local - um dispositivo que monitora o sistema e mantém a química e a mistura de partículas apropriadas.

Jim McEnteggart, vice-presidente sênior de aplicativos da HTMS, explica: "Geralmente enviamos com cerca de 15% do volume. É um líquido e, em seguida, o bombeamos através do sistema por meio de conexões normalmente no lado de descarga de suas bombas normais”.

"Os produtos concentrados se misturam com seu sistema e, em seguida, os treinamos no lado de sucção da bomba. Lá, a MMU possui instrumentação que mede o pH e a densidade. Quando atinge seu alvo, sabemos que temos nanopartículas suficientes na solução para alcançar o resultado desejado e paramos de injetar".

McEnteggart acrescenta que a HTMS assume uma "taxa de vazamento de cinco% ao ano" de acordo com os padrões da ASHRAE, mas que, uma vez que Maxwell está em um sistema, a empresa diz que pode durar dez anos.

"Na realidade, tudo no circuito não degrada o óxido de alumínio, pois é quimicamente inerte", diz McEnteggart. "Então, a menos que haja um vazamento, o produto pode permanecer lá durante a vida útil do sistema".

Essa inércia química é também um fator positivo em termos do impacto - ou da falta dele - que a solução poderia ter no ambiente em caso de fuga.

"Não é tóxico", diz McEnteggart, embora ele acrescente brincando: "Eu ainda não recomendaria beber".

"Se entrou nas águas subterrâneas, o óxido de alumínio por si só é um elemento estável que não é realmente reativo com muitas coisas. Mas, novamente, o protocolo é que não queremos que ele seja descarregado em sistemas de esgoto ou coisas assim, porque nas concentrações com as quais estamos lidando, isso pode sobrecarregar esses sistemas e fazer com que eles não funcionem tão bem quanto deveriam”.

É importante observar isso, pois os aditivos às vezes podem ser PFAs - substâncias per ou polifluoroalquil, também conhecidas como "produtos químicos para sempre". Os nanofluidos, embora considerados aditivos, não se enquadram nessa categoria.

Se um cliente quiser remover o Maxwell de seu sistema - o que McEnteggart garante à DCD que nenhum quis até agora - é uma combinação de filtragem mecânica e separação química.

"Se baixarmos o pH para a faixa ácida - ou seja, abaixo de sete - as partículas saem da suspensão. Eles se acomodam muito rapidamente, e podemos fazer isso no local, basta bombear o sistema para tanques e adicionar um composto ácido para que as partículas se acumulem no fundo do tanque”.

"Extraímos de lá e todo o resto é capturado por um filtro de cerâmica com poros muito finos. Em seguida, neutralizamos a solução e, se for água, pode ir pelo ralo ou, se for glicol, vai para uma instalação de tratamento”.

A alumina e os nanofluidos, por extensão, não geraram muita conversa na indústria até agora.

Como resultado disso, ocorreu à DCD que pode haver alguns problemas em fornecer a solução em massa, caso a indústria demonstre interesse significativo.

"Definitivamente, teríamos que aumentar muito rapidamente", admite Taylor. "Mas uma coisa boa é que a forma como o produto é feito é uma abordagem bastante simples. Assim que virmos o interesse crescendo, podemos prever isso, e tudo o que teríamos que fazer é abrir um prédio e obter dois ou três equipamentos específicos”.

"O único fator limitante seria realmente os fornecedores de matéria-prima - para a alumina e, no futuro, para o grafeno. Se encontrarmos obstáculos nesse lado das coisas, estará fora de nosso controle".

A HTMS tem pelo menos uma implantação de data center que eles compartilharam em um estudo de caso, embora a empresa permaneça anônima, além de observar que a instalação está localizada na Itália. Empresas como Stack, Aruba, TIM, Data4, Equinix, Digital Realty, OVH e CyrusOne, bem como laboratórios e empresas de supercomputação, operam instalações em toda a Itália.

Embora não seja possível compartilhar detalhes de identificação sobre a implantação italiana, a potência total do sistema de resfriamento era de 4.143 kW (1.178 RT) e consistia em três resfriadores e um sistema de trigeração. De acordo com o estudo de caso, o data center teve um coeficiente de melhoria de desempenho do sistema de 9,76%.

Mas uma grande parte do desafio ao entrar em uma indústria há muito secreta é divulgar seu nome se os clientes não permitirem que você compartilhe sua história.

"Muitos deles [operadores de data center] são bastante sensíveis em ter seus nomes divulgados", admite Taylor, embora a empresa continue esperançosa de que conquistará totalmente a fronteira do data center.