Los chips de Inteligencia Artificial cada vez generan más calor. Un avance en tecnología de microfluidos actúa directamente sobre el silicio y multiplica por tres la eficiencia de la refrigeración

Los chips que emplean los centros de datos para dar vida a los últimos avances en Inteligencia Artificial producen bastante más calor que las generaciones anteriores de procesadores. Cualquiera que haya visto cómo se recalienta su móvil o su portátil sabe que la electrónica no se lleva bien con las altas temperaturas. Con el crecimiento de la demanda de IA y el desarrollo de nuevos diseños de chips, la tecnología de refrigeración actual marcará un límite al progreso en apenas unos años.

Para hacer frente a este problema, Microsoft ha probado con éxito un nuevo sistema de refrigeración capaz de disipar el calor hasta tres veces mejor que los cold plates -placas frías empleadas en la refrigeración líquida- una de las tecnologías avanzadas más utilizadas en la actualidad.

El método se basa en la microfluídica, el campo de la ciencia que estudia y aplica el comportamiento, manipulación y control de fluidos en canales o estructuras de dimensiones micrométricas, aplicando el líquido refrigerante directamente en el propio silicio donde se concentra el calor. En la parte posterior del chip se graban diminutos canales que forman surcos por los que circula el refrigerante, lo que permite extraer el calor de forma más eficiente. Además, el equipo empleó IA para detectar las huellas térmicas específicas de cada chip y dirigir el refrigerante con mayor precisión.

Los investigadores señalan que la microfluídica puede aumentar la eficiencia y favorecer la sostenibilidad de los chips de IA de nueva generación. En la mayoría de los centros de datos actuales, las GPU se enfrían con cold plates, que están separadas de la fuente de calor por varias capas y eso limita la cantidad de calor que logran disipar.

Cada nueva generación de chips de Inteligencia Artificial gana potencia, pero también produce más calor. “En un plazo de apenas cinco años, si seguimos dependiendo en gran medida de la tecnología tradicional de los cold plates, acabaremos atascados”, advirtió Sashi Majety, responsable técnico sénior de programas en el área de Operaciones Cloud e Innovación de Microsoft.

Hoy, Microsoft ha anunciado que ha desarrollado con éxito un sistema de refrigeración de microfluidos integrado en el propio chip, capaz de enfriar de manera eficaz un servidor mientras ejecuta servicios esenciales en una reunión simulada de Teams.

“La microfluídica hará posible diseños con mayor densidad de potencia, lo que permitirá incorporar más prestaciones que interesan a los clientes y ofrecer un mejor rendimiento en menos espacio”, afirmó Judy Priest, vicepresidenta corporativa y directora técnica de Operaciones Cloud e Innovación de Microsoft.

“Para ello, primero necesitábamos demostrar que la tecnología y el diseño funcionaban, y lo siguiente que quisimos hacer fue poner a prueba su fiabilidad”, añadió Priest.

Las pruebas realizadas a escala de laboratorio por la compañía demostraron que la microfluídica logra eliminar el calor hasta tres veces mejor que las placas frías, dependiendo de las cargas de trabajo y las configuraciones utilizadas. Además, esta tecnología redujo en un 65% el aumento máximo de temperatura dentro de una GPU, aunque esa cifra depende del tipo de chip. El equipo confía en que esta tecnología avanzada de refrigeración mejore la eficiencia energética de los centros de datos —medida con el indicador PUE, (Power Usage Effectiveness, por sus siglas en ingles)— y contribuya a reducir los costes operativos.

Usar la inteligencia artificial para imitar a la naturaleza
La microfluídica no es un concepto nuevo, aunque ponerla en práctica ha supuesto un reto para toda la industria. “Al desarrollar una tecnología como la microfluídica es fundamental pensar en términos de sistema. Hay que comprender cómo interactúan el silicio, el refrigerante, el servidor y el centro de datos para aprovecharla al máximo”, explicó Husam Alissa, director de tecnología de sistemas en el área de Operaciones Cloud e Innovación de Microsoft.

Lograr que los surcos tengan las dimensiones adecuadas no es sencillo: los microcanales son tan finos como un cabello humano, lo que no deja espacio al error. Dentro del trabajo de prototipado, Microsoft colaboró con la startup suiza Corintis para usar Inteligencia Artificial y optimizar un diseño de inspiración biológica, que enfría de manera más eficiente los puntos calientes de los chips que los canales rectos, los cuales también fueron probados. El diseño recuerda a las venas de una hoja o a las alas de una mariposa, ejemplos de cómo la naturaleza ha sabido encontrar las rutas más eficientes para distribuir recursos.

La microfluídica exige bastante más que un diseño innovador de canales, esta tecnología es un desafío de ingeniería complejo.

Para el desarrollo, fue necesario garantizar que los canales tuvieran la profundidad suficiente para que circulase el líquido refrigerante sin obstrucciones, pero sin llegar a debilitar el silicio hasta el punto de que pudiera ocasionar problemas. Solo en el último año, el equipo desarrolló cuatro iteraciones de diseño.

Además, se creó un encapsulado hermético para el chip, con el objetivo de definir la fórmula óptima del refrigerante, probar distintos métodos de grabado y establecer un proceso detallado para incorporar ese grabado a la fabricación de los chips.

Este avance es solo una muestra de cómo Microsoft está invirtiendo e innovando en su infraestructura para responder a la creciente demanda de servicios y capacidades de IA. La compañía prevé invertir más de 30.000 millones de dólares durante este trimestre.

Entre esas inversiones figura el desarrollo de su propia familia de chips Cobalt y Maia, diseñados específicamente para ejecutar tanto cargas de trabajo internas como de clientes con una mayor eficiencia. Desde el despliegue del chip Cobalt 100, Microsoft y sus clientes se benefician de una potencia de cálculo eficiente en consumo energético, capacidad de escalado y rendimiento.

Los chips son solo una pieza del rompecabezas, ya que los chips funcionan dentro de un sistema complejo de placas, racks y servidores en un centro de datos. El enfoque de Microsoft consiste en ajustar con precisión cada parte de esta estructura para que funcione de manera conjunta y se maximice el rendimiento y la eficiencia. Un aspecto clave de este enfoque es el desarrollo de técnicas de refrigeración de nueva generación, como la microfluídica.

Como siguiente paso, Microsoft sigue investigando cómo incorporar la refrigeración microfluídica en futuras generaciones de sus propios chips. La compañía también continuará colaborando con partners de fabricación y proveedores de semiconductores para llevar la microfluídica a la producción en sus centros de datos.

“El hardware es la base de nuestros servicios”, afirmó Jim Kleewein, experto técnico en Microsoft 365 Core Management. “Todos tenemos un interés directo en conocer cómo de fiable, rentable, veloz, consistente y sostenible puede llegar a ser. La microfluídica mejora cada uno de estos parámetros: el coste, la fiabilidad, la rapidez, la uniformidad en el rendimiento y la sostenibilidad”.

Ventajas de los microfluidos
Una simple llamada de Microsoft Teams, por ejemplo, sirve para mostrar las ventajas que podría aportar la refrigeración microfluídica. Teams no es un único servicio, sino un conjunto de unas 300 funciones distintas que trabajan de manera coordinada. Un servicio conecta al usuario con la reunión, otro la aloja, otro almacena el chat, otro combina los canales de audio para que todos puedan escucharse cuando hablan varias personas, otro graba la sesión y otro genera la transcripción.

“Cada servicio tiene características distintas y somete a distintas partes del servidor a diferentes cargas”, explicó Kleewein. “Cuanto más se utiliza un servidor, más calor genera, lo cual tiene sentido”.

Por ejemplo, la mayoría de las llamadas de Teams suelen empezar a las horas en punto o a y media. El controlador de llamadas es sometido a una alta carga de trabajo desde cinco minutos antes hasta tres minutos después de esos horarios, mientras que el resto del tiempo su carga es mucho menor. Hay dos formas de afrontar estos picos de demanda: instalar mucha capacidad adicional y costosa, que no se usa la mayor parte del tiempo, o exigir más a los servidores, lo que se conoce como overclocking. Como el overclocking hace que los chips generen más calor, no se puede aplicar en exceso sin riesgo de dañarlos.

“Siempre que tenemos cargas de trabajo con picos, queremos contar con la posibilidad de hacer overclocking. La microfluídica nos permitiría hacerlo sin preocuparnos de que los chips se dañen, ya que la refrigeración es más eficiente”, explicó Kleewein. “Esto trae ventajas en coste y fiabilidad. Y también en velocidad, porque podemos aumentar el rendimiento de los chips”.

Cómo encaja la refrigeración en el panorama general
La microfluídica forma parte de una iniciativa más amplia de Microsoft para impulsar técnicas de refrigeración de nueva generación y optimizar cada componente de la infraestructura en la nube. Tradicionalmente, los centros de datos se han enfriado con aire impulsado por grandes ventiladores, pero los líquidos conducen el calor con mucha más eficiencia que el aire.

Una de las formas de refrigeración líquida que Microsoft ya ha implementado en sus centros de datos son los cold plates. Estos bloques de refrigeración se colocan sobre los chips. El líquido frío entra en ellos, circula por sus canales para absorber el calor generado por los chips y sale ya caliente para ser enfriado nuevamente.

Los chips se encapsulan con varias capas de materiales que ayudan a distribuir el calor y a protegerlos. Pero esos materiales también actúan como “mantas”, limitando la eficacia de los cold plates al retener el calor y aislar del frío. Se espera que las futuras generaciones de chips diseñadas para IA sean aún más potentes y alcancen temperaturas demasiado altas para que los cold plates puedan enfriarlos.

Refrigerar los chips directamente mediante canales microfluídicos resulta mucho más eficiente, no solo para extraer calor, sino también para mejorar el funcionamiento general del sistema. Al eliminar las capas de aislamiento y permitir que el refrigerante toque directamente el silicio caliente, no hace falta que esté tan frío para cumplir su función. Esto ahorra energía que, de otro modo, se necesitaría para enfriar el líquido, al tiempo que mejora el rendimiento respecto a los cold plates actuales. La tecnología microfluídica también facilita un aprovechamiento de mayor calidad del calor residual.

Microsoft también busca optimizar la operación de los centros de datos mediante estrategias de software, entre otros. “Si la refrigeración microfluídica usa menos energía para enfriar los centros de datos, se reducirá la presión sobre las redes eléctricas de las comunidades cercanas”, explicó Ricardo Bianchini, experto técnico y vicepresidente corporativo de Azure especializado en eficiencia de cómputo.

El calor también condiciona el diseño de los centros de datos. Una de las ventajas de un centro de datos desde el ángulo de la computación es que los servidores están físicamente muy próximos. Así se evita que la distancia ralentice la comunicación entre ellos, es decir, que una mayor distancia añada lo que se conoce como latencia. Sin embargo, los servidores actuales solo se pueden agrupar hasta cierto punto antes de que el calor se convierta en un problema. La microfluídica permitirá aumentar la densidad de servidores en los centros de datos, lo que, según la compañía, podría incrementar la capacidad de cálculo sin necesidad de construir instalaciones adicionales.

El futuro de la innovación en chips
La microfluídica también podría abrir la puerta a arquitecturas de chips completamente nuevas, como los chips 3D. Así como acercar los servidores entre sí reduce la latencia, apilar chips la disminuye aún más. Este tipo de arquitectura 3D es difícil de construir debido al calor que genera.

Sin embargo, la microfluídica acerca el refrigerante directamente al lugar donde se consume la energía, por lo que “podríamos hacer fluir el líquido a través del propio chip”, como ocurriría con los diseños 3D, explicó Bianchini. Esto requeriría un diseño microfluídico distinto, con pines cilíndricos entre los chips apilados, algo parecido a las columnas de un aparcamiento de varios niveles, con el líquido circulando a su alrededor.

“Siempre que podemos hacer las cosas de manera más eficiente y sencilla, se abre la oportunidad de innovar y explorar nuevas arquitecturas de chips”, comentó Priest.

Eliminar la limitación que impone el calor permitiría además colocar más chips en cada rack de un centro de datos o más núcleos en un chip, lo que mejoraría la velocidad y permitiría centros de datos más pequeños, pero más potentes.

Al demostrar que nuevas técnicas de refrigeración, como la microfluídica, pueden funcionar, Microsoft espera contribuir a impulsar chips de nueva generación más eficientes y sostenibles en toda la industria.

“Queremos que la microfluídica se convierta en algo que aproveche todo el mundo, no solo nosotros”, afirmó Kleewein. “Cuanta más gente la adopte, más rápido se desarrollará la tecnología y mejor será para nosotros, para nuestros clientes y para todos”.