De chipindustrie produceert steeds geavanceerdere IC’s met duizelingwekkend veel transistors. Daarbij geldt: hoe beter de koeling, hoe beter de prestaties. Best opmerkelijk dus dat er sinds de vorige eeuw op dat vlak weinig is veranderd en er nog steeds voornamelijk ventilatoren worden ingezet voor de koeling van chips. Ventilatoren hebben een beperkte koelcapaciteit, maken flink lawaai en verbruiken veel energie. En omdat hergebruik van warme lucht een laag rendement geeft, kan die warmte moeilijk elders worden ingezet. Dat moet dus anders. En dankzij een innovatie van TNO kan dat nu ook.
Nieuwe chipkoeltechnologie leent zich voor veel toepassingen
– De koeloplossing zit zo dicht als fysiek mogelijk bij de warmtebron zelf.
– ‘Momenteel wordt wereldwijd nog altijd 99 procent van de datacenters met lucht gekoeld.’
– ‘Met behulp van ons tweefasenprincipe kan warmte efficiënt worden afgevoerd.’
– ‘Een datacenter kan de warmte direct inzetten voor nabijgelegen industrie, zonder enige vorm van opwaardering.’
De miljarden transistors op een chip produceren gezamenlijk aardig wat warmte. En dat gaat ten koste van de prestaties en levensduur van die chip. Efficiënte koeling is dus heel belangrijk en wordt alleen nog maar belangrijker. De huidige chips zijn namelijk al dusdanig geavanceerd dat het zeer lastig wordt om nog meer transistoren op het beperkte oppervlak toe te voegen. Een nieuwe strategie lijkt om meerdere chips te combineren in een 3D-architectuur. Maar dat brengt weer nieuwe uitdagingen met zich mee, waaronder het probleem dat zo’n chippakket extra warmte genereert, wat weer ten koste gaat van de prestaties. Om het vermogen van chips een extra boost te geven en hun levensduur te verlengen, begint het dus heel interessant te worden om op zoek te gaan naar alternatieven voor ventilatoren die op dit moment worden ingezet om elektronica te koelen.
TNO-wetenschapper Cor Rops is de drijvende kracht achter deze innovatie.
Ruitvormige koelstructuren
TNO werkt aan zo’n alternatief. Met High Performance Thermal Management Technology biedt het kennisinstituut een koelcapaciteit die honderden malen groter is dan conventionele koelmethoden. Specifiek voor chips heeft deze onderzoeksorganisatie nu een microfluïdische tweefasenkoeling ontwikkeld en gepatenteerd. Daarbij is die technologie geïntegreerd in de chip zelf, waardoor deze koeloplossing veel minder ruimte in beslag neemt en zo dicht als fysiek mogelijk bij de warmtebron zelf zit.
TNO-wetenschapper Cor Rops is de drijvende kracht achter deze innovatie. Samen met zijn collega’s verdiepte hij zich jarenlang in het onderwerp. Ze kwamen tot een complex model dat in 2010 de basis vormde voor een prototype: een aluminium plaatje waar ruitvormige structuren in waren verwerkt. Het tweede prototype werd vervolgens al meteen op chipniveau gerealiseerd, waardoor toepassing in micro-elektronica en chips in beeld kwam.
Beproefde methode
Na meerdere prototypes en vele praktijktesten en iteraties is de TNO-innovatie inmiddels uitgegroeid tot een beproefde methode om chips met vloeistof te koelen. Dat koelen gebeurt in het toplaagje van de chip zelf, wat zorgt voor een enorm hoge warmteoverdracht. En dat alles via een gesloten systeem, want de koelvloeistof mag natuurlijk niet rechtstreeks met de micro-elektronica in contact komen. Bijzonder hierbij is de mogelijkheid om het voor de koeling benodigde raster al in het productieproces voor een chip mee te nemen.
Patrique Boerboom, business developer bij TNO: ‘Met onze chipkoeltechnologie kun je elektrische auto’s efficiënter maken, waardoor ze een grotere actieradius krijgen.’ Foto’s: TNO
Praktijkvoorbeelden
Tot zover het technische verhaal. Maar waar het natuurlijk om gaat, is waar deze innovatieve methode om chips te koelen in de praktijk voor kan worden ingezet. ‘Het mooie is dat onze chipkoeltechnologie zich voor veel toepassingen leent’, zegt Patrique Boerboom, de business developer bij TNO die zich met deze ontwikkeling bezighoudt. ‘Zo kun je er elektrische auto’s efficiënter mee maken, waardoor ze een grotere actieradius krijgen. Daarbij kun je ervoor zorgen dat ze sneller kunnen worden opgeladen. Want hoe beter de chips van de vermogenselektronica in een elektrische auto worden gekoeld, hoe beter de prestaties en levensduur. Ook EV-laadkasten die zich buiten het voertuig bevinden, kun je zo een stuk kleiner maken, waardoor ze minder publieke ruimte innemen.’
Snellere en grotere dataoverdracht
Ook bij 5/6G-antennestations is een efficiënte werking van de elektronica heel belangrijk, aldus Boerboom. ‘Er gaan al enorme hoeveelheden data door de lucht, en dat wordt alleen nog maar meer. Telecombedrijven zijn daarom voortdurend op zoek naar nieuwe technologieën die snellere en grotere dataoverdracht mogelijk maken’, zegt Boerboom. ‘Momenteel maken ze voor de koeling vaak nog gebruik van koelribben op de antenne. Passieve luchtkoeling dus. Tijdens pilots zien we al dat de prestaties enorm verbeteren als die antennekasten worden voorzien van onze chipkoeltechnologie. Dat maakt compactere antennebasisstations mogelijk, waarbij een zeer efficiënte 5G-antenne zelfs in een lantaarnpaal zou kunnen worden geïntegreerd.’
Maatschappelijke discussie
De toepassing waarvan Boerboom toch wel de grootste impact verwacht, is het koelen van chips in de serverborden van datacenters. ‘Momenteel wordt wereldwijd nog altijd 99 procent van de datacenters met lucht gekoeld. Met behulp van ventilatoren dus, wat veel energie kost. Daarbij gaan enorme hoeveelheden warmte verloren. Doordat veruit de meeste datacenters die warmte verder ongebruikt aan de buitenlucht afgeven, dragen ze op die manier nog extra bij aan de opwarming van de aarde. En aangezien er steeds meer datacenters bij komen, wordt dat een steeds heikeler probleem.’
‘Hoog nettorendement warmteterugwinning kan gamechanger zijn’
Om CO2-uitstoot te compenseren, maken veel datacenters al wel gebruik van duurzame energie. ‘Dat is op zich natuurlijk mooi, maar geen structurele oplossing’, benadrukt Boerboom. ‘Zo wordt er regelmatig een datacenter naast een windmolenpark neergezet. Omwonenden hebben dan zelf weinig tot geen profijt van de duurzame energie die windmolens opwekken in hun woonplaats, waarbij die windmolenparken vaak ook nog mede met overheidsgeld zijn gefinancierd. Daar is nu dan ook een maatschappelijke discussie over gaande.’
Andere manier van denken
Dat datacenters massaal voor luchtkoeling kiezen, heeft voor een groot deel met het kostenaspect te maken (het is de goedkoopste koelingsmethode), maar het gunstige prijsplaatje is niet de enige reden. ‘Datacenteroperators en/of hun klanten zijn nogal huiverig om water of andere vloeistoffen te gebruiken voor het koelen van elektronica. Maar onze oplossing is een goed doordacht gesloten systeem, waarbij het binnenste van de chips dankzij het tweefasenprincipe zo effectief wordt gekoeld dat er ook maar relatief weinig koelvloeistof voor nodig is’, aldus Boerboom. ‘En dat geldt niet alleen voor de huidige chips, maar ook voor de chips die er nog aan zitten te komen. Doordat die nog compacter en krachtiger worden, zullen ze meer warmte produceren, die met behulp van ons tweefasenprincipe ook efficiënt kan worden afgevoerd. Een toekomstbestendige oplossing dus.’
Inmiddels signaleert hij binnen de datacenterwereld een andere manier van denken. ‘Steeds meer operators en hun klanten staan open voor nieuwe manieren van koelen. De interesse in onze chipkoeltechnologie groeit en de keus voor koeling met ventilatoren wordt gelukkig steeds minder vanzelfsprekend.’
Hoogwaardige restwarmte
De door TNO ontwikkelde oplossing om chips te koelen, heeft ook nog een zeer prettig neveneffect: de koelvloeistof in het gesloten systeem bereikt door de warmte van de chips een dusdanig hoge temperatuur dat stadsverwarming een zeer lucratieve optie wordt. In luchtgekoelde datacenters wordt in de meeste gevallen nu weinig restwarmte voor verwarmingsdoeleinden ingezet. De opgewarmde lucht in zo’n datacenter ligt namelijk tussen de 30 en 40 graden Celsius. Om de grote hoeveelheid energie naar een temperatuur te brengen die geschikt is voor stadverwarming, is bijna eenzelfde hoeveelheid energie nodig. ‘Hierdoor win je netto maar 10 tot 20 procent terug, waardoor het terugwinnen veel minder interessant is’, stelt de business developer van TNO.
Weliswaar hebben enkele luchtgekoelde datacenters om die reden gekozen voor een warmtewisselaarinstallatie die warmte uit de lucht haalt en die opwaardeert, maar daarmee halen ze netto een rendement van nog geen 14 procent. Boerboom: ‘Het is een dure oplossing met weinig opbrengsten. Vandaar dat wereldwijd ook maar 1 tot 2 procent van de datacentra hiervoor kiest.’
En als een datacenter gebruik gaat maken van al bestaande waterkoelingssystemen en dat combineert met een warmtewisselaar? Dan leidt dat weliswaar tot een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt, maar volgens berekeningen van TNO is er met die vorm van warmteterugwinning een nettorendement van maximaal 36 procent mogelijk. Nog steeds niet voldoende om zo’n investering interessant te maken.
Link magazine april 2023, Thema: Parijs halen: De energietransitie. Vraag een exemplaar op bij de uitgever van Link magazine: uitgever@linkmagazine.nl
Belangrijke schakel energietransitie
Na de spanning met de vorige voorbeelden te hebben opgevoerd, onthult Boerboom het te verwachten nettorendement van warmteterugwinning als TNO’s microfluïdische tweefasenkoeling wordt toegepast. ‘80 procent!’, zegt hij, met duidelijke trots. ‘Tijdens het koelen van chips loopt de temperatuur van de koelvloeistof namelijk op tot een temperatuur van wel 80 graden Celsius. En die warmte kan een datacenter vervolgens direct inzetten voor stadsverwarming of nabijgelegen industrie, zonder enige vorm van opwaardering. Heel simpel dus.’
Met zo’n rendement kan er volgens Boerboom een totaal nieuwe situatie ontstaan, waarbij datacenters een belangrijke schakel worden in de energietransitie. ‘Als ze gebruikmaken van duurzame energie en vervolgens maar liefst 80 procent van die energie als warmte kunnen doorgeven aan woningen en bedrijfspanden in de omgeving, dan wordt dat echt een gamechanger!’
Hoe werkt de innovatie van TNO?
De bellen die in kokende koelvloeistof ontstaan, belanden in een raster met ruitvormige structuren waar ze worden gesplitst. Vervolgens worden de kleinere bellen afgeremd doordat die structuren ook meteen als een soort omgekeerde trechtertjes werken. Dankzij die structuren ontstaat bij het contact met de vloeistof ook nog eens een filmlaag, die een optimale warmteoverdracht mogelijk maakt. Dat alles resulteert in een stabielere vloeistofstroming en een veel betere warmteoverdracht, wat weer leidt tot een constanter en betrouwbaarder koelproces.
