Il raffreddamento passivo ad acqua salata per le CPU promette bene

Dissipare in modo efficiente il calore prodotto dalle CPU è il problema dei nostri giorni, specie in ambito datacenter, una lotta continua che l'industria deve affrontare quotidianamente. Il raffreddamento a liquido a immersione sta prendendo piede nelle installazioni più potenti e complesse, ma la ricerca verso soluzioni alternative, migliori e più economiche prosegue. Qualche tempo fa fu Intel a uscire allo scoperto, illustrando alcune soluzioni su cui sta lavorando per dissipare fino a 2000 Watt.

Non ci sono però solo i grandi colossi impegnati in questa battaglia, anche le università di tutto il mondo sono coinvolte nella lotta per far rendere l'informatica moderna al massimo senza richiedere soluzioni di raffreddamento troppo costose (sia nello sviluppo che nell'uso) ed elaborate che rendono la creazione di nuovi datacenter non remunerativa.

Nei giorni scorsi i ricercatori della City University di Hong Kong e della School of Energy and Power Engineering (Huazhong University of Science and Technology) hanno pubblicato uno studio intitolato "Membrane-encapsulated, moisture-desorptive passive cooling for high-performance, ultra-low-cost, and long-duration electronics thermal management" che descrive un "hygroscopic salt-loaded membrane-encapsulated heat sink" (HSMHS), ovvero un sistema di dissipazione passivo che appare piuttosto promettente.

HSMHS usa un sale di bromuro di litio confinato in una membrana porosa che permette all'acqua di evaporare ma non al sale di fuoriuscire. Inoltre, il sistema si ricarica automaticamente: può riacquistare la sua capacità di raffreddamento assorbendo umidità dall'aria.

Trattandosi di un sistema passivo, non presenta parti in movimento e nessuna alimentazione diretta, oltre ad affrontare un problema tipico dei dissipatori passivi, ovvero che si saturano di calore molto rapidamente, portando il sistema a dover scalare le prestazioni - il cosiddetto thermal throttling. 

La soluzione messa a punto in Cina sembra valida sotto diversi punti di vista. Non solo HSMHS può raffreddare un sistema per 10 volte più a lungo rispetto alle alternative come le strutture metallo-organiche (MOF) e gli idrogel (un materiale a cambiamento di fase, o PCM), ma nei test di laboratorio ha permesso a una CPU (Samsung Exynos 5422 con GPU Mali su piattaforma ODROID-XU4) di raggiungere fino al 32,65% di prestazioni in più. Si stima che le prestazioni di un chip possano degradarsi del 10% circa ogni 2 °C di aumento della temperatura quando le condizioni operative superano 70°C–80°C.

Come funziona questa tecnologia? Se nell'aspetto il dissipatore appare piuttosto standard, sulla superficie è stata posizionata una soluzione di sali idroscopici, o meglio bromuro di litio, trattenuta in una membrana porosa che consente il passaggio di vapore acqueo. L'azione di raffreddamento avviene grazie a un processo di desorbimento della soluzione salina, che rilascia vapore acqueo nell'atmosfera circostante tramite la membrana porosa.

I risultati dei test di HSMHS hanno evidenziato che il processore raffreddato ha mantenuto una temperatura inferiore a quella critica per circa 400 minuti (più di sei ore e mezza), un valore 10 volte superiore ad alternative metallo-organiche. Nei test la temperatura massima rispetto al dissipatore originale della board è scesa di 11 °C, da 68,5 °C a 57,5 °C. Durante le ore di inattività, HSMHS è stato in grado di ricaricare la sua capacità di raffreddamento assorbendo l'umidità dall'aria.

Un'altra caratteristica interessante del nuovo HSMHS è che dovrebbe essere molto conveniente. I sali di bromuro di litio sono economici, il che pone questa soluzione in posizione di vantaggio rispetto alle proposte MOF.

La nuova tecnologia è stata confrontata con due dissipatori, uno ad alette (FHS, fin heat sink) e un altro a "spuntoni" (needle heat sink, NHS). "Rispetto a NHS" scrivono i ricercatori, "HSMNHS presenta enormi vantaggi in termini di prestazioni di raffreddamento. HSMNHS mostra una riduzione della temperatura e un coefficiente di trasferimento di calore competitivi rispetto a FHS a un dato flusso di calore, anche se il volume e l'area di trasferimento del calore di FHS sono ∼5 e ∼10 volte quelli di HSMNHS, rispettivamente. I risultati hanno dimostrato che HSMNHS consente prestazioni di raffreddamento eccezionali con flussi di calore elevati. Inoltre, durante gli esperimenti non abbiamo osservato alcuna perdita di soluzione e fenomeni di corrosione".

Non resta che vedere se dalla ricerca si passerà a qualcosa di concreto, magari dopo aver testato la tecnologia di raffreddamento con una CPU decisamente più potente. A ogni modo, i ricercatori ritengono che la loro idea potrebbe trovare applicazioni anche in altri settori: celle solari, edifici e batterie.