Datakeskukset ovat keskeisiä nykypäivän teknologian infrastruktuureja, ja niiden rooli on kasvanut merkittävästi erityisesti tekoälyn (AI) kehityksen myötä. Tekoälyn, erityisesti generatiivisen tekoälyn (GenAI), suosio on vaikuttanut voimakkaasti datakeskusten tarpeisiin ja vaatimuksiin, jolloin innovaatioiden tarve on kasvanut. Teknologia-alan johtajat etsivät jatkuvasti ratkaisuja, jotka parantavat data- ja energiatehokkuutta sekä mahdollistavat paremman viestintäinfrastruktuurin. Tällöin materiaalitekniikalla on olennainen rooli. Erityisesti tulevaisuuden datakeskuksissa tarvitaan korkealuokkaisia materiaaleja, jotka tukevat korkeaa nopeutta, suurta kaistanleveyttä ja kestävää energiankäyttöä.

Tekoälyn kasvu tuo mukanaan tarpeen luotettaville ja tehokkaille energiatarpeille datakeskuksissa. Vuonna 2023 Nvidia toimitti yli 3,7 miljoonaa datakeskusten GPU:ta (grafiikkasuorittimia), jotka hallitsivat 98 prosenttia datakeskusten markkinoista. Tämän mukana kulkee vaatimus entistä nopeammalle ja tehokkaammalle tiedonsiirrolle palvelimien ja kytkimien välillä. Tätä taustaa vasten optisten ja elektronisten piirien yhdistäminen yhdeksi paketiksi, kuten Nvidian esittelemä co-packaged optics (CPO) -ratkaisu, voi tarjota ratkaisevia etuja, kuten alhaisemman virrankulutuksen ja pienemmän viiveen, verrattuna perinteisiin optisiin siirtotaipeisiin.

Datakeskusten jatkuva liikenteen kasvu tuo esiin myös toisen tärkeän haasteen: sähkön kulutuksen nousu. Viimeisimmän energian käyttöraportin mukaan datakeskusten sähkökulutus voi kaksinkertaistua vuoteen 2026 mennessä ja jopa kolminkertaistua vuoteen 2030 mennessä verrattuna vuoden 2021 tasoihin. Hyperscale-datakeskukset ovat joutuneet etsimään luotettavia ja kestäviä energiaratkaisuja minimoidakseen käyttökatkokset ja energian loppumisen riskit. Yhteistyö uusiutuvan energian toimittajien kanssa on yleistynyt, kuten Meta (entinen Facebook) on ilmoittanut uuden datakeskuksensa olevan täysin uusiutuvalla energialla toimiva. Samoin Intel ja Bloom Energy ovat ilmoittaneet yhteistyöstään suurimman polttokennoilla toimivan HPC-datakeskuksen rakentamiseksi.

Kehittyneiden materiaalien ja teknologioiden rooli on keskeinen myös korroosionhallinnassa, joka usein jää huomiotta datakeskusten infrastruktuurissa. Huono ympäristön hallinta ja virheellisesti valitut materiaalit voivat pahentaa korroosiota, mikä puolestaan aiheuttaa laitteistovikoja, käyttökatkoksia ja kalliita korjauksia. Tämä on erityisen tärkeää, koska datakeskusten elinkaari ja tehokkuus ovat suoraan yhteydessä niiden rakenteelliseen kestävyyteen.

Tulevaisuuden datakeskusten kehitys vaatii keskittymistä moniin avainteknologioihin ja materiaaleihin. Yksi tärkeimmistä kehityssuunnista on optisten yhteyksien hyödyntäminen. Optiset yhteydet voivat tarjota huomattavasti suuremman kaistanleveyden ja nopeuden verrattuna kupari-yhteyksiin, erityisesti pitkillä etäisyyksillä. Vaikka optiset ratkaisut ovat olleet käytössä datakeskuksissa jo pitkään, niiden merkitys kasvaa tekoälyn ja uusien datakeskusten verkkoarkkitehtuurien myötä. Innovatiiviset optiset viestintätekniikat mahdollistavat datan liikkumisen entistä tehokkaammin ja energiatehokkaammin, mikä on välttämätöntä nykyaikaisessa datakeskuksessa, jossa on suuri tiedonsiirtotarve ja vähäiset virrankulutustavoitteet.

Datakeskusten suunnittelu ja materiaalivalinta ovat nyt tärkeämpiä kuin koskaan. Kehittyneitä materiaaleja, kuten korkean suorituskyvyn lämpöä kestävät komponentit ja optiset interconnect-järjestelmät, tarvitaan enemmän kuin koskaan. Tekoälyn edistyminen ja datakeskusten vaatimukset lisäävät paineita entisestään. Tällöin tulevaisuuden materiaalit ja ratkaisut voivat ratkaista haasteet, kuten korkeammat lämpötilat, korroosioriskit ja pienentynyt energiankulutus. Samalla teknologian kehityksen myötä voidaan parantaa tiedonsiirron nopeutta ja luotettavuutta, mikä on elintärkeää AI:n ja muiden edistyneiden sovellusten tueksi.

Kuinka datakeskusten jäähdytysjärjestelmien materiaalit vaikuttavat tehokkuuteen ja kestävyysvaatimuksiin?

Ilman suodattimia käytettävien MERV-luokitusten avulla voidaan arvioida suodattimen kykyä poistaa erikokoisia hiukkasia ilmasta [61–63]. MERV 8 -suodattimia käytetään yleiseen ilman suodattamiseen, kuten pölyn ja siitepölyn poistamiseen, kun taas korkeammat MERV-luokitukset, kuten MERV 11–13, ovat tarpeen kriittisissä ympäristöissä, joissa tarvitaan hienompaa hiukkassuodatusta. Datakeskuksissa käytettävät ilman suodattimet valmistetaan usein synteettisistä materiaaleista, jotka on suunniteltu kestämään kosteutta ja estämään mikrobien kasvua. Viimeaikaiset yhteistyöt suodatinvalmistajien ja teknologiayritysten välillä ovat tuottaneet kestävämpiä suodatusratkaisuja, erityisesti ilman jäähdytetyissä datakeskuksissa [64].

Yksi kehittyvistä jäähdytysratkaisuista datakeskuksissa on suora sirujäähdytys (direct-to-chip cooling, DLC), joka tunnetaan myös nimellä nestepohjainen jäähdytys. Tämä edistynyt lämpötilanhallintateknologia on keskeinen, kun datakeskusten laskentateho kasvaa ja niitä pyritään tiivistämään ja tehostamaan. Suora sirujäähdytys perustuu kahteen päämenetelmään: yksivaiheiseen ja kaksivaiheiseen jäähdytykseen, joissa käytetään jäähdytysnesteitä ja kylmälevyjä, jotka siirtävät lämpöä komponenteista, kuten suorittimista (CPU) ja näytönohjaimista (GPU). Kylmälevyt ovat tavallisesti litteitä ja suorakulmaisia komponentteja, joissa on sisäisiä kanavia ja jäähdytysnesteen tulo- ja ulostuloaukkoja, ja ne valmistetaan usein erittäin lämpöä johtavista materiaaleista, kuten kuparista. Kylmälevyjen materiaalien on oltava yhteensopivia koko jäähdytysnesteverkoston kanssa, erityisesti materiaalien, jotka ovat suoraan kosketuksessa nesteen kanssa (ns. "wetted materials") [65]. Parhaimman lämmönsiirtokyvyn saavuttamiseksi käytetään lämpöliitospinnoitteita (TIM), jotka täyttävät mahdolliset raot ja vähentävät lämpövastusta lämpölähteen (esimerkiksi suorittimen) ja kylmälevyn välillä [66–68].

Yksivaiheisen ja kaksivaiheisen jäähdytyksen ero on, siirtyykö jäähdytysneste nesteestä kaasuksi jäähdytysprosessin aikana. Esimerkiksi deionisoitu vesi, etyleeniglykolin ja propyleeniglykolin vesiliuokset ovat suosittuja jäähdytysnesteitä, jotka pysyvät nestemäisinä koko jäähdytysprosessin ajan yksivaiheisessa järjestelmässä. Vesi-glykoliseokset tarjoavat hyvän tasapainon veden ja glykolin yksittäisten ominaisuuksien, kuten matalan jäätymispisteen, korroosionkestävyyden, korkean kiehumispisteen ja hyvän lämmönsiirtokyvyn, välillä. Korroosiovauriot ovat merkittävä ongelma jäähdytysjärjestelmissä, ja ne voivat johtua epäsopivista komponenteista ja virheellisistä jäähdytysnesteistä, mikä johtaa metallin heikkenemiseen ja mahdollisiin vikauksiin. Jäähdytysnesteen toimittajat tarjoavat luettelon yhteensopivista materiaaleista, mutta korroosion kestävyys riippuu muun muassa käyttölämpötilasta, etyleeni/propyleeniglykolin liuoksen pitoisuudesta ja mikrokanaalien virtausnopeudesta [69]. Tämän vuoksi koko materiaalivalinnan (erityisesti "wetted materials" -materiaalit) pitäisi perustua luotettaviin testauksiin.

Kupari on kylmälevyjen valinnainen materiaali sen erinomaisen lämmönjohtokyvyn vuoksi. Kuitenkin kuparin korroosion aiheuttamat hajoamistuotteet ja materiaalien yhteensopimattomuus voivat heikentää jäähdytysjärjestelmän tehokkuutta ja aiheuttaa mahdollisia tukkeumia mikrokanaaleissa, mikä voi johtaa suorittimien, palvelinhyllyjen ja mahdollisesti koko datakeskuksen epäonnistumiseen [70]. Kylmälevyjen jäähdytyskyky paranee, kun kanavien mitat pienenevät. Jäähdytysjärjestelmissä, erityisesti kuparikylmälevyjen järjestelmissä, saattaa ilmetä ongelmia, kuten tukkeutumia ja lämpösiirron heikkenemistä, mikä johtaa komponenttivaurioihin. Puhdistus, yhteensopivat jäähdytysnesteet ja suodatus ovat välttämättömiä saastumisen estämiseksi [71]. Erilaiset pintakäsittelytekniikat, kuten kitkahitsaus (FSW), nikkeli-pinnoitus ja korroosiota estävät aineet, voivat vähentää korroosiota ja parantaa kylmälevyjen kestävyyttä pitkällä aikavälillä [72, 73].

Kaksivaiheisissa DLC-järjestelmissä lämpö poistuu tehokkaimmin mikrokanaalialueilla, joissa tapahtuu aktiivinen faasimuutos. Kun neste virtaa pääasiassa kaasumaisena ja faasimuutos hidastuu, jäähdytyskapasiteetti laskee, mikä saattaa aiheuttaa paikallisia ja järjestelmänlaajuisia epävakauksia lämpövirran nopeudessa [74]. Kaksivaiheisia jäähdytysnesteitä käytetään myös upotettuissa jäähdytysjärjestelmissä, joissa koko elektroninen laitteisto on upotettu jäähdytysnesteeseen. Toisin kuin vesi, dielektriset jäähdytysnesteet ovat inerttejä nesteitä, eivätkä ne aiheuta korroosiota tai oikosulkuja. Hydrofluoroolefiinit (HFO) ovat suositeltuja kaksivaiheisessa nestejäähdytyksessä datakeskuksissa niiden nollan otsonikerroksen köyhtymispotentiaalin (ODP) ja matalan globaali lämmityspotentiaalin (GWP) vuoksi, mikä on tärkeää ympäristösäädösten kannalta [75, 76].

Upotettu jäähdytys on nouseva trendi datakeskusten jäähdytyksessä ja tarjoaa lupaavan ratkaisun lisääntyvään tehointensiteettiin ja energiatehokkuuteen. Tämä teknologia on erityisesti kasvussa, ja sen globaali markkinat kasvavat arvioitujen 1 miljardin Yhdysvaltain dollarin arvon verran vuosien 2023 ja 2028 välillä, arvioidulla 29 prosentin vuotuisella kasvuvauhdilla [82]. Upotetussa jäähdytyksessä kaikki palvelimet ja niiden osat upotetaan dielektriseen, sähköä johtamattomaan nesteeseen säiliöissä. Tällöin jäähdytykselle tarvitaan erityisiä materiaaleja, pakkausmenetelmiä, testausprosesseja ja jäähdytysjärjestelmiä, joista monet on kehitettävä uudelleen. Upotetussa jäähdytyksessä kriittisten komponenttien, kuten prosessorien, muistimoduulien ja painetun piirilevyn (PCB), on oltava kemiallisesti stabiileja materiaaleja, jotka eivät hajoa tai menetä painoa upotettuna jäähdytysnesteeseen pitkän ajan kuluessa.

Mikä on nestejäähdytyksen rooli tulevaisuuden datakeskuksissa?

Nestejäähdytyksellä on tärkeä rooli nykyaikaisissa datakeskuksissa, erityisesti kun otetaan huomioon sähkön kulutuksen kasvu ja ympäristövaatimusten tiukentuminen. Nestejäähdytyksellä voidaan parantaa energiankäyttötehokkuutta ja vähentää datakeskusten toimintakustannuksia huomattavasti. Tässä yhteydessä voidaan käyttää kahta pääasiallista lähestymistapaa: yksivaiheista ja kaksivaiheista nestejäähdytystä.

Yksivaiheisessa nestejäähdytyksessä jäähdytysneste pysyy nestemäisessä muodossa koko järjestelmän ajan. Tämä mahdollistaa lämpöenergian siirtämisen tehokkaasti, mutta neste ei haihdu ja jää kiinteään tilaan. Kaksivaiheinen nestejäähdytys toimii toisella tavalla. Elektroniikkakomponentit upotetaan dielektriseen nesteeseen, jonka kiehumispiste on matala. Kun neste kiehuu, se poistaa lämpöä, ja syntyvä höyry tiivistyy takaisin nesteeksi. Tämä prosessi mahdollistaa entistä tehokkaamman lämmönpoiston ja jatkuvan jäähdytysjärjestelmän toiminnan, kuten esitetään kuvassa 3.11. Kaksivaiheinen jäähdytys parantaa lämpösiirron tehokkuutta, mutta sen kustannukset voivat olla korkeampia verrattuna yksivaiheisiin järjestelmiin, erityisesti jäähdytysnesteen ja infrastruktuurin osalta.

Jäähdytysjärjestelmän valinta vaikuttaa merkittävästi datakeskuksen kokonaiskustannuksiin ja tehokkuuteen. Esimerkiksi fluorokarbonaattipohjaiset kaksivaiheiset jäähdytysnesteet voivat olla kalliimpia kuin hiilivetyperusteiset nesteet, ja tämä kustannusero kasvaa, kun jäähdytysnesteen määrä kasvaa. Yritykset, kuten Bitfury ja Allied Control, ovat rakentaneet suuria nestejäähdytettyjä datakeskuksia, joissa kaksivaiheinen jäähdytys parantaa jopa 250 kW:n tehotiheyttä vaakarackia kohti, mikä on suuri parannus verrattuna perinteisiin jäähdytysratkaisuihin, joiden tehotiheys on vain 5-10 kW. Lisäksi tämä tekniikka voi vähentää jäähdytykseen kuluvan energian määrää jopa 96 %, saavuttaen Power Usage Effectiveness (PUE) -arvon 1,02.

Toinen mielenkiintoinen kehitysaskel on lämpöenergian kierrättäminen, kuten Submerin kehittämä järjestelmä, jossa yli 99 % IT-laitteiden tuottamasta lämmöstä saadaan talteen ja käytetään lämpimänä vettä. Tämä prosessi ei sisällä merkittäviä häviöitä, ja se toimii huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa (55–70 °C) kuin aikaisemmat järjestelmät. Kuitenkin nestejäähdytyksen käyttöönottoon liittyy myös haasteita, kuten nesteen kemiallinen hajoaminen, joka voi johtua korkeista lämpötiloista, hapettumisesta ja epäpuhtauksista, mikä voi aiheuttaa korroosiota ja lämpösiirron heikkenemistä.

Tulevaisuuden datakeskusten suunnittelussa on tärkeää ottaa huomioon myös kestävä energiateknologia. Datakeskusten sähkönkulutus on tällä hetkellä noin 2 % maailman kokonaissähkönkulutuksesta, ja tämän arvellaan nousevan 4 %:iin vuoteen 2030 mennessä. Tavoitteena on vähentää datakeskusten energiankulutusta ja päästöjä, mikä tukee globaalia pyrkimystä rajoittaa ilmaston lämpeneminen 1,5 °C:een ja saavuttaa "net-zero" -päästöt. Kestävyystavoitteiden täyttämiseksi datakeskusten suunnittelijoiden on keskityttävä energiatehokkaiden laitteiden, optimoitujen jäähdytysjärjestelmien, ympäristöystävällisten materiaalien ja uusiutuvien energialähteiden käyttöön.

Vetyenergia on saanut viime vuosina huomiota puhtaana vaihtoehtona fossiilisille polttoaineille. Joissakin datakeskuksissa tutkitaan vedyn käyttömahdollisuuksia osana kestävää ratkaisua, joka vähentäisi hiilijalanjälkeä ja parantaisi energiatehokkuutta. Vetyä voidaan tuottaa eri menetelmillä, kuten hiilivetyjen reformoinnilla, pyrolyysillä, biomassan kaasuttamisella ja vesielektrolyysillä. Elektrolyysi on prosessi, jossa sähköenergia käynnistää kemiallisen reaktion, joka hajottaa molekyylit ja tuottaa vetyä. Tämä prosessi voi olla osa vihreän vedyn tuotantoa, jossa sähkö saadaan uusiutuvista lähteistä, kuten tuuli- tai aurinkovoimasta, jolloin saavutetaan kestävämpi energiantuotanto.

Protoninvaihtokalvon elektrolyysi (PEM) on yksi suosituimmista ja ympäristöystävällisimmistä menetelmistä puhtaan vedyn tuotantoon. Tämä tekniikka ei tuota hiilidioksidipäästöjä ja on yhä houkuttelevampi vaihtoehto tulevaisuuden datakeskuksille, jotka tavoittelevat hiilineutraaliutta. Vedyn tuottamisessa käytettävät reaktiot ovat yksinkertaisia, ja ne voidaan esittää seuraavasti:

  1. Anodi: H2O → 2H+ + O2 + 2e−

  2. Katodi: 2H+ + 2e− → H2

  3. Yhteensä: H2O → H2 + O2

Vety voi myöhemmin muuttua takaisin sähköksi polttokennojen avulla, jotka tarjoavat lupaavan ratkaisun datakeskusten energiatarpeisiin ilman hiilidioksidipäästöjä. Polttokennoilla varustetut datakeskukset voivat toimia itsenäisinä mikrovakioverkkoina, joissa energian varastointi ja käyttö ovat optimoituja, eikä riippuvuus ulkoisista sähköverkoista ole niin kriittinen.

Tämä kehitys on avainasemassa tulevaisuuden datakeskusten suunnittelussa, sillä se yhdistää uusien energiateknologioiden, kuten vedyn, sekä edistyksellisten jäähdytysjärjestelmien, kuten nestejäähdytyksen, potentiaalin.

Miten lämpöhallinta ja luotettavuus vaikuttavat edistyneisiin muistipaketteihin ja niiden käytettävyyteen?

Edistyneiden muistien ja 3D-pakettien luotettavuus ja lämpöhallinta ovat keskeisiä tekijöitä elektroniikan tulevaisuudessa. Erityisesti lämpökäsittelyn ja lämpösyklien vaikutus monimutkaisempien piireiden ja pakettien toimintaan on yhä tärkeämpää. Näitä aiheita käsitellään tutkimuksissa, joissa tarkastellaan muun muassa muistiyksikköjen ja niiden liitosten kestävyyttä vaihtelevaan lämpötilaan altistuttaessa.

Lämpötilan vaihtelut voivat aiheuttaa merkittäviä vaurioita monikerroksisissa pakkauksissa, joissa lämpölaajeneminen ja kutistuminen aiheuttavat stressiä liitoksille. Tällöin saattaa syntyä pieniä halkeamia, jotka heikentävät kytkentöjen luotettavuutta ja voivat johtaa laitteen toimintahäiriöihin. Tällaiset ongelmat voivat olla erityisen ongelmallisia muistien, kuten TSV (Through-Silicon Via) ja Wide I/O DRAM -tekniikoiden osalta, joissa komponenttien tiivistys ja yhteensopivuus lämpölaajenemisen kanssa ovat kriittisiä. Erityisesti lämpökäsittelyjen, kuten termisen syklistä aiheutuvan jännityksen ja sähkövirran yhdistelmät, on todettu olevan merkittävä tekijä liitosten epäluotettavuudessa.

Erityisesti grafiittipohjaiset ja hiili-nanoputkiset materiaalit ovat nousseet esiin tehokkaina lämpöliitäntämateriaaleina, jotka parantavat komponenttien kykyä sietää lämpötilan vaihteluja. Tällaiset materiaalit voivat parantaa lämpöjohtavuutta, mutta ne eivät ole täysin ongelmattomia. Esimerkiksi grafeenin ja muiden hiilimateriaalien käyttö on vaatinut erilaisten valmistusmenetelmien optimointia, jotta materiaalien luotettavuus ja kestävyys voidaan varmistaa pitkällä aikavälillä.

Lämpölaajenemisen ja mekaanisen kuormituksen yhdistelmä voi myös johtaa liitososien mikrorakenteiden hajoamiseen, erityisesti kylmä- ja kuumasyklien aikana. Tässä yhteydessä on tärkeää huomioida, miten materiaalien rakenne muuttuu pitkän aikavälin käytössä. Esimerkiksi Tin-Silver-Copper (Sn-Ag-Cu) -juoteliitosten luotettavuus voi heikentyä erityisesti äärimmäisissä lämpötiloissa. Mikrokokoiset rakenteet, kuten mikrobuumit, voivat myös aiheuttaa ongelmia, koska ne altistuvat liiallisen mekaanisen rasituksen ja lämpötilan vaihteluiden vaikutuksille.

Tällaisessa ympäristössä valmistajien on tärkeää suunnitella pakkaukset ja liitokset niin, että ne kestävät nämä lämpötilan muutokset ja mekaaniset rasitukset. Erityisesti fan-out CSP (chip-size package) ja flip-chip DCA (direct chip attach) -pakettien vertailu on tärkeää, koska niiden rakenne ja luotettavuus eroavat toisistaan. On myös huomioitava, että lämpötilan ja sähkövirran yhteisvaikutus voi kiihdyttää materiaalien vanhenemista ja heikentää kytkentöjen luotettavuutta.

Lämpötilasyklien vaikutusten ymmärtäminen ja niiden hallinta ovat välttämättömiä komponenttien pitkäikäisyyden ja toiminnan kannalta. Tämä on erityisen tärkeää muistiyksiköiden, kuten DRAM:n ja muiden 3D-pakettien kohdalla, sillä epäluotettavat kytkennät voivat aiheuttaa vakavia ongelmia laitteiden toimivuudessa. Koko valmistusprosessin on otettava huomioon nämä tekijät, ja uusien lämpöliitäntämateriaalien tutkimus on jatkuvasti edistynyt, parantaen edistyneempien muistipakkausten kestävyyttä ja luotettavuutta.

Kuinka lasketaan painevoimia ja viskositeettivoimia nesteiden virtauksessa 3D-mallissa
Miten valita ja valmistaa kestäviä ja turvallisia amigurumi-leluja sekä ommella niille vaatteet
Miten käyttää verbin "venir" taivutuksia espanjassa ja ymmärtää kulttuuriset vivahteet
Miten merieläimet selviytyvät äärimmäisissä olosuhteissa?
Miksi kulhoannokset tukevat painonhallintaa ja ravitsemusta?