Chips mais frios prometem data centers menos poluentes
O avanço da inteligência artificial aumenta a pressão sobre os centros de processamento de dados (data centers), que consomem volumes crescentes de eletricidade e água para resfriar servidores cada vez mais potentes. A solução: resfriamento líquido direto nos chips e reaproveitamento de calor.
Dentro do data center da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), potentes ventiladores empurram ar frio através de fileiras de servidores. Um zumbido constante ecoa pela sala, mas Remco van Erp, cofundador e diretor-executivo da start-up suíça Corintis, garante que essa instalação é relativamente silenciosa. “Nos grandes data centers, é preciso usar protetores auriculares”, diz. Aqui, isso não é necessário.
Segundo Van Erp, o nível de ruído mais contido deve-se ao fato de essa estrutura utilizar menos ventilação de alta velocidade do que os data centers convencionais. Foi justamente a busca por alternativas aos sistemas de resfriamento tradicionais que levou a Corintis à EPFL. Enquanto a inteligência artificial (IA) alimenta a expansão mundial dos data centers, a start-up suíça e a universidade colaboram para reduzir a eletricidade e a água necessárias para mantê-los operando.
“Muitas pessoas pensam que a IA é praticamente um serviço gratuito e com impacto ambiental limitado. Na realidade, sua pegada ecológica é significativa”, afirma Mario Paolone, professor da EPFL.
De acordo com a Agência Internacional de Energia (AIE), os data centers representam atualmente cerca de 1,5% o consumo mundial de eletricidade, e a expectativa é de que sua demanda cresça para pouco menos de 3% até 2030. Um estudo recente da ONU projeta ainda que a pegada hídrica (o consumo total de água) dos data centers irá dobrar no mesmo período.
Paolone descreve um data center como uma máquina gigantesca que transforma eletricidade em calor. Cada vez que fazemos uma pergunta a um sistema de IA, consome-se eletricidade. Quase toda essa energia acaba se transformando em calor, que precisa ser dissipado por meio de ar ou, cada vez mais, através de sistemas de resfriamento líquido.
A crescente demanda por eletricidade e água tem alimentado a oposição aos data centers em todo o mundo, inclusive na Suíça. Recentemente, Nova York se tornou o primeiro estado nos Estados Unidos a impor uma moratória de um ano na construção de novos grandes data centers. “Não podemos viver sem. Eles alimentam quase todos os serviços digitais que utilizamos”, diz Van Erp. “O verdadeiro desafio é torná-los muito mais eficientes.”
Os pesquisadores da EPFL e da Corintis acreditam que reduzir a necessidade de energia e de água significa começar por um dos componentes menores, porém mais quentes de um data center: os chips (circuitos integrados). O objetivo deles é resfriar os processadores de forma mais eficiente e, depois, reaproveitar o calor residual para aquecer edifícios ou gerar eletricidade.
Tudo começa nos chips
Por décadas, o método padrão para evitar o superaquecimento dos processadores foi forçar enormes volumes de ar frio através dos servidores. Hoje, no entanto, os servidores dedicados à IA concentram uma potência de computação sem precedentes nos “racks” (armários estruturais para equipamentos de TI) cada vez mais densos, gerando muito mais calor do que os sistemas tradicionais.
Como a água transfere o calor de forma muito mais eficaz do que o ar, o setor está migrando progressivamente para o resfriamento líquido.
Van Erp acompanha essa evolução há cerca de dez anos. “Na prática, eu era um encanador trabalhando com projetistas de chips”, conta. “À medida que os chips se tornavam mais potentes, eu tentava entender quais eram os limites para o resfriamento deles”. Um desses limites, explica ele, é a abordagem de “tamanho único”.
“Cada chip é como uma paisagem urbana única”, detalha. Algumas áreas esquentam muito mais do que outras, dependendo da arquitetura do processador e da carga de trabalho. Em vez de utilizar os mesmos canais de resfriamento para todos os processadores, Corintis projeta sistemas que acompanham a “assinatura térmica” (o mapa de distribuição de calor) específica de cada chip. Segundo Van Erp, isso pode reduzir em cerca de 20% a eletricidade exigida pelos chillers (sistemas de refrigeração industrial de fluidos) para o resfriamento.
A start-up, fundada em Lausanne em 2022, testa sua tecnologia no EPFL e com algumas das maiores empresas de tecnologia do mundo. A Microsoft é a única parceira revelada publicamente.
Van Erp afirma que a Corintis aumentará a produção para até um milhão de placas de resfriamento por ano e projeta implementações em larga escala a partir de 2027. Ele argumenta ainda que a solução da empresa custa menos de 1% do preço de um chip de IA de última geração.
Transformando o calor residual em recurso
Resfriar os chips, que podem atingir temperaturas de até 100 °C, é apenas o primeiro passo. O seguinte é entender como retirar esse calor de dentro do data center.
Nos data centers atuais resfriados a líquido, a água geralmente circula em circuitos fechados a uma temperatura entre 20 °C e 30 °C. O calor coletado dentro dos servidores precisa então ser removido do edifício. Em muitos data centers, ele é transferido, por meio de trocadores de calor, para torres de resfriamento evaporativo. Nelas, uma segunda corrente de água, diferente daquela que circula nos servidores, evapora para dispersar o calor na atmosfera.
O sistema de resfriamento da EPFL utiliza vários circuitos de líquido interconectados.
A água bombeada do Lago de Genebra abastece a rede de refrigeração do campus. Ela nunca entra em contato com os servidores: em vez disso, troca calor com o sistema de refrigeração do centro de dados por meio de trocadores de calor. A água do lago é então descarregada no riacho Sorge, que acaba voltando para o lago. Seu fluxo e temperatura são monitorados continuamente por meio de um portal acessível ao públicoLink externo.
Dentro do centro de dados, água ou outros fluidos refrigerantes circulam por circuitos fechados, retirando o calor dos chips antes de retornarem para repetir o ciclo. Em condições normais de operação, esses fluidos não são consumidos nem descarregados, explica Xavier Ouvrard, especialista em sistemas de TI do centro de pesquisa EcoCloud da EPFL.
Como o resfriamento evaporativo exige grandes volumes de água, o setor está migrando para temperaturas de resfriamento mais altas (em torno de 45 °C). Isso permite aproveitar melhor o resfriamento a seco, que utiliza o ar do ambiente externo para resfriar os fluidos.
Mas Paolone e Van Erp querem ir além. “Controlamos deliberadamente o resfriamento direto dos chips para extrair o calor a cerca de 70 °C a 75 °C”, explica Paolone. Uma temperatura mais alta torna o calor mais fácil de ser reaproveitado ou convertido.
Resfriar um processador com água quente pode parecer contraintuitivo. Porém, segundo Van Erp, quanto mais eficientemente o calor for transferido para longe do chip, maior poderá ser a temperatura do líquido de resfriamento.
Em vez de ser dissipado na atmosfera como desperdício, esse calor pode ser reutilizado. Essa é a ideia por trás do Heating Bits (Bits de Aquecimento), um projeto da EPFL liderado por Paolone que experimenta métodos para reduzir a pegada de carbono (a emissão total de gases de efeito estufa) dos data centers, enquanto os servidores continuam a realizar tarefas reais de computação para os pesquisadores do campus.
Durante o inverno, o calor recuperado alimenta a rede de aquecimento urbano do EPFL. No verão, quando a demanda por aquecimento diminui, uma parte desse calor é reconvertida em eletricidade graças a uma tecnologia específica, o Ciclo Rankine Orgânico (um sistema que gera energia a partir de calor usando fluidos orgânicos em vez de vapor d’água).
Resfriamento líquido: inevitável, mas não suficiente
As tecnologias desenvolvidas na EPFL parecem promissoras. Mas será que podem ser adotadas em larga escala e reduzir significativamente a pegada ambiental global dos data centers de IA?
Jonathan Koomey, pesquisador independente norte-americano que estuda o consumo de energia de data centers há décadas, concorda que o resfriamento líquido está se tornando inevitável. “Quando se atinge a densidade de potência dos sistemas atuais de IA, o ar já não é suficiente para transferir o calor”, afirma.
Koomey alerta, contudo, que o resfriamento dos chips representa apenas metade da equação. Um data center pode adotar sistemas líquidos muito eficientes dentro dos servidores e, ainda assim, continuar utilizando sistemas de resfriamento predial com alto consumo de água.
Consequentemente, o consumo de água varia enormemente de um data center para outro. Koomey cita uma revisão científica recente mostrando que o consumo anual de água pode variar em até 10 mil vezes, dependendo do projeto da instalação, de sua localização, da carga de trabalho e das condições operacionais. “É um campo complexo, com muitas compensações a serem consideradas”, observa.
A mesma conclusão é compartilhada por Shaolei Ren, professor da Universidade da Califórnia em Riverside. O resfriamento direto nos chips pode reduzir as necessidades de energia e água, diz ele, mas apenas se todo o data center for projetado para gerenciar o calor com eficiência. “Não é correto afirmar que o resfriamento direto dos chips, por si só, reduz necessariamente o consumo de energia e água”, argumenta.
Koomey também adverte sobre outro problema que pode anular esses ganhos de eficiência: o efeito rebote. As empresas que desenvolvem IA continuam a reinvestir em modelos cada vez mais potentes e em maior capacidade de computação a custos mais baixos, impulsionando a demanda por serviços de inteligência artificial.
“Estamos testemunhando um aumento massivo na demanda por computação de IA que supera os benefícios obtidos com a eficiência energética”, afirma. “Podemos continuar assim? Ninguém sabe”, diz ele.
Mesmo que cada data center se torne mais eficiente, nenhuma tecnologia pode controlar a velocidade com que crescerá a demanda por capacidade de processamento para a IA.
“Precisamos nos fazer uma pergunta fundamental”, conclui Paolone. “Podemos nos dar ao luxo do atual crescimento da IA e dos data centers em plena transição energética?”
Edição: Gabe Bullard/vm
Adaptação: Alexander Thoele
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