Uusi jäähdytysteknologia torjuu tekoälyn räjähdysmäisiä energian tarpeita

Uusi jäähdytysteknologia on kehitetty Kalifornian yliopiston San Diegon insinööriopiskelijoiden toimesta, ja se voi merkittävästi parantaa datakeskusten energiatehokkuutta, jotka ovat keskeisiä tekoälyn kehittämisessä ja käyttöönotossa.

Datakeskukset ovat tiloja, jotka sisältävät tekoälymallien kouluttamiseen ja käyttöönottoon tarvittavan infrastruktuurin. Tämä sisältää kehittyneet laskenta-, verkko- ja tallennusarkkitehtuurit sekä energian- ja jäähdytysominaisuudet, jotka pystyvät käsittelemään tekoälykuormien valtavat tietojenkäsittelyvaatimukset.

Vaikka perinteisissä datakeskuksissa on monia samoja komponentteja kuin AI‑datakeskuksissa, kuten palvelimia, tallennusjärjestelmiä ja verkkolaitteita, niiden laskentateho vaihtelee suuresti. Tämä johtuu korkean intensiteetin tekoälykuormien poikkeuksellisista vaatimuksista, jotka edellyttävät suorituskykyisiä grafiikkasuorittimia (GPU).

Ei pelkästään tekoälysovelluksissa tarvittavien valtavien GPU-määrien vuoksi vaadita paljon suurempaa tilaa, vaan ne myös edellyttävät kehittyneitä energia‑ ja jäähdytysratkaisuja.

Itse asiassa tekoälyn räjähdysmäinen käyttö ja sen jatkuva laajentuminen ovat nostaneet tietojenkäsittelyn kysynnän taivaalle.

Datakeskukset arvioidaan tulevaisuudessa olevan maailman suurimpia energian kuluttajia. Arviot viittaavat siihen, että datakeskusten energiankulutus voi kasvaa jopa 160 % yli 1 000 terawattitunniksi (TWh), mikä vastaa 3–4 % maailman sähkönkulutuksesta vuoteen 2030 mennessä.

Tämä nousu johtuu kehittyneiden tekoälysovellusten kasvavista laskentavaatimuksista, jotka aiheuttavat merkittävää lämmöntuottoa ja vaativat tehokkaita jäähdytysratkaisuja.

Itse asiassa 40 % datakeskuksen kokonaisenergiankulutuksesta menee pelkästään korkean suorituskyvyn laskentalaitteiston, erityisesti GPU:iden ja kiihdyttimien, jäähdyttämiseen.

Nämä komponentit tuottavat paljon enemmän lämpöä kuin perinteiset CPU:t, erityisesti tekoälyn koulutuksen ja suurten kielimallien käsittelyn aikana. Lisäksi nykyaikaisten AI‑palvelimien laskentatehon tiheys on kasvanut, mikä johtaa suurempaan lämmön keskittymiseen ja vaatii entistä tehokkaampia jäähdytysratkaisuja.

“Jäähdytyskustannukset ovat merkittävä kiinteä kuluerä, jonka operaattorien on otettava huomioon,” sanoi Rithika Thomas, ABI Researchin kestävien teknologioiden vanhempi analyytikko, jonka ‘Chilling Out: Cooling Systems for Data Centres’ -raportti kehottaa operaattoreita omaksumaan tehokkaita strategioita suorituskyvyn, vakauden ja laitteiden käyttöiän ylläpitämiseksi.

Jos tämä trendi jatkuu, globaalinen jäähdytykseen käytetty energiamäärä voi kaksinkertaistua tämän vuosikymmenen loppuun mennessä, mikä tekee ratkaisun löytämisestä ratkaisevan tärkeää.

“Tehokkaat jäähdytysstrategiat vaativat kokonaisvaltaista, teknologian riippumatonta lähestymistapaa, jotta voidaan optimoida energiatehokkuus (PUE), vedenkäyttötehokkuus (WUE) ja lämmönhallinta sekä vähentää käyttökustannuksia.”

– Thomas

Tekoälyn nälkäinen lämmöntarve vaatii älykkäämpiä jäähdytysratkaisuja

Ongelma on, että perinteiset ilmassa toimivat jäähdytysmenetelmät eivät enää riitä hallitsemaan nykyaikaisten palvelimien lämmönkuormia. Nämä menetelmät kuluttavat jo jopa 45 % datakeskuksen kokonaisenergiasta.

Kun tarkastellaan kehittyneiden CPU- ja GPU-sirujen maksimaalista lämmönvirtausta, se on tällä hetkellä selvästi yli 50 W/cm². Lämmönvirtaus tai terminen virtaus on yksinkertaisesti energian siirtymisnopeus paikasta toiseen lämmön muodossa.

Esimerkiksi NVIDIA:n Hopper, tekoälyn suosikki ja GPU-mikroarkkitehtuuri, joka on erityisesti suunniteltu datakeskuksiin nopeuttamaan tekoäly- ja korkean suorituskyvyn laskentatehtäviä (HPC), omaa 700 W:n termisen suunnittelutehon (TDP) 814 mm²:n sirukoolla (86 W/cm² lämmönvirtaus) tekoälysovelluksissa.

Hopper on NVIDIA:n seuraaja Ampere-arkkitehtuurille, ja se on rakennettu yli 80 miljardia transistorilla käyttäen TSMC:n 4N-prosessia.

Lisäksi transistorien miniaturointi voi vuoteen 2030 mennessä tuottaa noin kymmenkertaista transistoritiheyttä 1 nm:n solmussa. Tämä voi aiheuttaa yli 200 W/cm² lämmönvirtausta, tasoa, jota ei voida poistaa tehokkaasti ja kustannustehokkaasti ilmassa jäähdyttämällä. Tästä syystä nestekäyttöinen jäähdytys on tarpeen.

Nestekäyttöiset jäähdytysteknologiat eivät ole uusia. Ala on jo ottanut ne käyttöön seuraavan sukupolven järjestelmissään parantaakseen lämmönhallintaa ja energiatehokkuutta.

Tämä jäähdytysmenetelmä siirtää lämmön palvelimista tehokkaammin kuin ilmassa toimivat järjestelmät, mikä puolestaan vähentää jäähdytyskustannuksia ja energiahukkaa.

Kehittyneisiin nestekäyttöisiin jäähdytysmenetelmiin kuuluvat mikrokanavaiset kylmälevyt ja upotusjäähdytys dielektrisillä nesteillä. Perinteiset jäähdytysmenetelmät, kuten yksivaiheinen tai kiehuminen lämmönsiirto, rajoittuvat kuitenkin yleensä 100 W/cm²:n lämmönvirtausalueeseen.

Joten tarvitsemme korkean suorituskyvyn lämmönhajotusstrategioita. Niiden tulisi olla passiivisia, erityisesti koska ne eivät vaadi lisävirtaa. Vaikka ne ovat toivottavia, nämä strategiat ovat edelleen vaikeasti saavutettavissa.

Lisäksi on huomioitava, että jäähdytys on tärkeää ei vain CPU- ja GPU-laitteille, joita käytetään laskentaan ja tekoälyyn, vaan myös tehoelektroniikalle, kuten valoa lähettäville diode-siruille (LED), suuritehoisille radiofrekvenssi (RF) -komponenteille, gallium-nitridi (GaN) -korkeasähköisyyden transistoreille (HEMT) ja pumpulaseille.

Monissa näistä elektroniikoista on tehohäviö yli 100 W/cm². Tässä haihtumislämmönsiirto tarjoaa lupaavan teknologian korkean tehon elektroniikan jäähdyttämiseen, ja sillä on useita merkittäviä etuja perinteisiin jäähdytysmenetelmiin verrattuna.

Yksivaiheisiin jäähdytysjärjestelmiin verrattuna nestemäisen ja kaasumaisen vaiheen suuren latenttilämmön ansiosta voidaan poistaa lämpöä tehokkaasti, tarjoten paremman vakauden eikä hysteresisia (järjestelmän tilan riippuvuus historiasta). Lisäksi passiivinen kapillaari-virtaus vähentää pumpun tehovaatimuksia.

Haihtumiseen perustuvat järjestelmät tarjoavat itse asiassa tehokkaan ja tarkemmin hallitun lämmönsiirtomekanismin, erityisesti korkean tehon sovelluksissa, toisin kuin kiehuminen.

Kun energiatehokas lämmönhallinta on elintärkeää datakeskuksille, kapillaari-virtaava ohutkalvopohjainen haihtuminen äärimmäisen pienikokoisilla huokosilla kalvoissa tarjoaa lupaavan lähestymistavan korkean lämmönvirtausnopeuden hajottamiseen.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten tekoäly voi auttaa hallitsemaan AI‑datakeskusten kasvavaa energiakysyntää.

Uusi jäähdytysteknologia hillitsemään kasvavaa energiakysyntää

Kun kehittyneiden jäähdytysstrategioiden tarve on ratkaisevan tärkeä, jotta voidaan hillitä datakeskusten jäähdytyksen energian kulutuksen nopeaa kasvua, vähentää käyttökatteita ja tukea hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteita, insinöörit ovat kehittäneet uuden haihtumisjäähdytysteknologian datakeskuksiin ja korkean tehon elektroniikkaan.

National Science Foundationin tukemana tämä uusi tekniikka tarjoaa lupaavan vaihtoehdon perinteisille jäähdytysjärjestelmille, kuten tuulettimille, nestepumpuille ja jäähdytyselementeille, kuten on yksityiskohtaisesti¹ Joule-lehdessä. Se voisi myös vähentää monien nykyisten jäähdytysjärjestelmien vedenkäyttöä.

Uusi tekniikka sisältää erityisesti suunnitellun kuitumembranin, joka poistaa lämmön passiivisesti haihtumisen avulla. Tässä käytetty matalasuodatusmembrani koostuu verkostosta pieniä, toisiinsa kytkeytyneitä huokosia, jotka käyttävät kapillaari-ilmiötä vetääkseen jäähdytysnestettä pinnan yli.

Kun neste haihtuu, lämpö poistuu tehokkaasti alla olevista elektroniikkakomponenteista ilman lisäenergiaa. Membrani sijoitetaan mikrokanavien päälle elektroniikan yläpuolelle, imaten nestettä, joka virtaa kanavien läpi ja poistaa lämmön tehokkaasti.

“Perinteiseen ilma- tai nestekäyttöiseen jäähdytykseen verrattuna haihtuminen voi hajottaa suurempaa lämmönvirtausta käyttäen vähemmän energiaa.”

Haihtuminen jäähdytykseen ei ole uusi asia, sillä monissa sovelluksissa, kuten ilmastointilaitteiden haihduttimissa ja kannettavien tietokoneiden lämpöputkissa, sitä käytetään jo nykyään. Kuitenkin menetelmän soveltaminen korkean tehon elektroniikkaan on ollut haaste.

Yritykset käyttää huokoisia membraneja ovat olleet epäonnistuneita. Huokoisilla membraneilla on suuri pinta-ala, mikä on ihanteellista haihtumiseen, mutta aikaisemmat yritykset joko käyttivät liian pieniä huokosia, jotka tukkeutuivat, tai liian suuria, jotka aiheuttivat ei-toivottua kiehumista, mikä johti epäonnistumiseen.

“Tässä käytämme huokoinen kuitumembraneja, joissa on oikeankokoiset toisiinsa kytkeytyneet huokoset,” sanoi Chen. Näin insinöörit pystyivät saavuttamaan tehokkaan haihtumisen ilman näitä haittoja.

Kun teknologiaa testattiin eri lämmönvirtausarvoilla, tutkijat havaitsivat, että heidän membraninsa toimi ja saavutti ennätyksellistä suorituskykyä.

Membrani käsitteli yli 800 wattia per neliösenttimetri (W/cm²) lämmönvirtausta. Tämä on yksi korkeimmista tälle jäähdytysjärjestelmälle kirjatuista tasoista. Lisäksi se osoittautui vakaaksi useiden tuntien toiminnan aikana, korostaen skaalautuvaa ja energiatehokasta lähestymistapaa seuraavan sukupolven elektroniikkajäähdytykseen.

“Tämä menestys osoittaa materiaalien uudelleenkuvittelun potentiaalin täysin uusissa sovelluksissa.”

– Chen

Hän selitti, että alun perin kuitukuidut suunniteltiin suodatukseen. “Kukaan ei ollut aiemmin tutkinut niiden käyttöä haihtumisessa,” hän lisäsi. Tiimi kuitenkin tunnisti erottuvat rakenteelliset ominaisuudet, jotka olivat oikeankokoiset toisiinsa kytkeytyvät huokoset, tehden niistä täydellisiä tehokkaaseen haihtumisjäähdytykseen. Chen totesi:

“Mitä meitä yllätti, oli se, että oikean mekaanisen vahvistuksen avulla ne eivät ainoastaan kestäneet korkeaa lämmönvirtausta, vaan ne suoriutuivat siitä poikkeuksellisen hyvin.”

Lämpöteknisen suorituskykynsä lisäksi kuitumembranit ovat kustannustehokkaita, skaalautuvia massatuotantoon ja osoittavat sekä mekaanista joustavuutta että vahvuutta, korostaen niiden potentiaalia ohutkalvohaihtumiseen ja osoittaen niiden hyödyllisyyden korkean lämmönvirtausnopeuden elektroniikkajäähdytysjärjestelmiin, tarjoten näin vankan ratkaisun seuraavan sukupolven lämmönhallintaan.

Tulokset ovat ehdottomasti lupaavia, mutta teknologia toimii edelleen merkittävästi teoreettisen rajan alapuolella. Tiimi työskentelee nyt membranin hiomisen ja sen suorituskyvyn optimoinnin parissa.

Seuraavassa vaiheessa tiimi integroi teknologiansa kylmälevyjen prototyyppeihin, tasoihin komponentteihin, jotka kiinnitetään GPU:iin ja CPU:iin lämmön hajottamiseksi. Teknologian kaupallistamisen osalta tiimi aikoo perustaa startup-yrityksen sen viemiseksi markkinoille. Kalifornian yliopiston hallitus on myös jättänyt tähän työhön liittyvän patentin.

Klikkaa tästä oppiaksesi uudesta sirusta, joka pienentää suurten kielimallien (LLM) energiankulutusta 50 %.

Seuraavan sukupolven jäähdytysinnovaatiot

Kun tekoälyn laaja käyttö on ennustettu tuottavan biljoonia dollareita maailman talouteen, on nyt kasvava keskittyminen sen energiankulutuksen vähentämiseen eri tavoin.

Maaliskuussa 2025 teknologiayritys Microsoft (MSFT ) julkaisi tutkimuksen, jossa kvantifioidaan energian- ja vesikulutus sekä kasvihuonekaasupäästöt (GHG), jotka syntyvät datakeskusten jäähdytystekniikoista koko niiden elinkaaren ajan.

Tämä elinkaarianalyysi arvioi paitsi datakeskusten toiminnassa kulutettuja resursseja myös syventyy resurssien kulutukseen, joita tarvitaan kaikkien virtuaalikoneiden, palvelimien, sirujen, jäähdytyksen ja muun laitteiston valmistamiseen. Microsoftin mukaan nämä tiedot voivat auttaa yrityksiä suunnittelemaan datakeskuksia, jotka käyttävät vähemmän vettä, energiaa ja hiilidioksidia.

“Kannustamme tässä tutkimuksessa elinkaarianalyysityökalujen käyttöön, jotta insinööripäätökset voidaan ohjata jo varhaisessa vaiheessa, ja jaamme myös työkalun teollisuudelle, jotta sen omaksuminen olisi helpompaa.”

Keskustellessaan tutkimuksen tarkoituksesta Alissa sanoi:

“Tavoitteenamme on kertoa teollisuudelle: ‘Tässä on ohjeet, miten rakennetaan kokonaisvaltainen elinkaarianalyysi, jossa otetaan huomioon jäähdytys. Ja tässä on työkalu, jonka voit räätälöidä omiin tarpeisiisi ja tehdä päätöksen.’”

Heidän tutkimuksensa kesti itse asiassa kaksi vuotta, jonka aikana he arvioivat neljä jäähdytysteknologiaa: kylmälevyt, ilmankäyttöinen jäähdytys, yksivaiheinen upotus ja kaksivaiheinen upotus palvelimille.

Tiimi odottaa nestepohjaisten lähestymistapojen suoriutuvan paremmin kuin ilmankäyttöinen jäähdytys, joka on alan standardi, hiilidioksidipäästöjen sekä energian- ja vesikulutuksen osalta.

Vaikka Microsoft on asentanut kylmälevyjä datakeskuksiinsa, se tutkii myös muita jäähdytysmenetelmiä, kuten hyllytasoa hyödyntävää kylmälevyjä, jotka käyttävät lämmönvaihtoyksiköitä. Teknologiayritys kehittää myös uutta teknologiaa, jonka mukaan se voi vähentää vedenkulutusta 30–50 % ja laskea energian kysyntää sekä GHG-päästöjä noin 15 % koko datakeskusten elinkaaren aikana.

Viime aikoina MIT Lincoln Laboratory myös kehitti erityisen sirun, jonka avulla arvioidaan jäähdytysmahdollisuuksia paketoiduissa sirupinoissa. Tämä ainutlaatuinen siru hajottaa erittäin suurta tehoa lämmön tuottamiseksi piikerroksen kautta ja tietyissä kuumissa pisteissä. Seuraavaksi jäähdytysteknologioita sovelletaan pinoon, jonka jälkeen siru mittaa lämpötilan muutoksia.

Kun se asetetaan pinoon, se mahdollistaa tutkijoille tarkastella, miten lämpö kulkee pinokerrosten läpi, ja mitata edistymistä niiden jäähdyttämiseksi.

“Jos sinulla on vain yksi siru, voit jäähdyttää sen ylhäältä tai alhaalta. Mutta jos aloitat useiden sirujen pinoaamisen päällekkäin, lämmöllä ei ole mistään pakoon. Nykyään ei ole olemassa jäähdytysmenetelmiä, jotka mahdollistaisivat teollisuuden pinoa useita näitä todella korkean suorituskyvyn siruja.”

– Tutkimuksen johtaja, Chenson Chen, Laboratorion Advanced Materials and Microsystems -ryhmästä

Sijoittaminen tekoälysektoriin

AI‑keskittyneiden GPU:iden maailmanlaajuinen johtaja, Nvidia (NVDA ) on täyden pinon laskentainfrastruktuuriyritys, joka toimii Compute & Networking ja Graphics -segmenttien kautta.

Nvidia on tehnyt kumppanuuksia keskeisten toimijoiden kanssa puolijohteiden, palvelinvalmistuksen, datan tallennuksen ja yritysohjelmistojen alalla nopeuttaakseen AI‑sovellusten käyttöönottoa. Siruyritys on myös vahvasti mukana rahoittamassa startup-yrityksiä, erityisesti AI‑yrityksiä kuten OpenAI, xAI, Inflection, Mistral AI, Perplexity, Lambda, Scale AI ja muita edistääkseen sektoria.

NVIDIA Corporation (NVDA )

Kun tarkastellaan Nvidian markkinasuorituskykyä, se on yksi parhaiten menestyneistä osakkeista, jonka arvo on noussut huikeat 1 350 % viimeisen viiden vuoden aikana. Kirjoitushetkellä maailman toiseksi suurimman, 3,5 triljoonan dollarin markkina-arvolla varustetun yrityksen osakkeet käyvät yli 145 dollaria, 8,33 % YTD nousua ja vain 3 % huippuarvostaan, joka oli lähes 150 dollaria marraskuussa 2024.

Sen EPS (TTM) on 3,10, P/E (TTM) 46,86 ja ROE (TTM) 115,46 % samalla kun se tarjoaa osinkotuoton 0,03 %.

Maaliskuussa 2025 Nvidia raportoi talousvuoden 2026 ensimmäisen neljänneksen tulokset, jolloin sen liikevaihto oli 44,1 miljardia dollaria.

Datakeskusalueella yhtiön liikevaihto oli 39,1 miljardia dollaria. Tälle sektorille Nvidia ilmoitti Yhdysvalloissa tehtävien tehtaiden rakentamisesta, esitteli Blackwell Ultra – ja Dynamo -ratkaisut AI‑päättelymallien skaalaamiseen, ja suunnittelee nopeuttavansa IT‑infrastruktuurin siirtymistä yritys‑AI‑tehtaisiin RTX PRO™ -palvelimilla. Useiden muiden aloitteiden ohella NVIDIA AI Data Platform esiteltiin myös räätälöitävänä referenssisuunnitelmana AI‑inference‑kuormiin.

Toinen merkittävä kehitys liittyy 100 000 Nvidian sirun käyttöön uuden AI‑datakeskuksen rakentamisessa Yhdistyneissä Arabiemiirikunnissa, joka otetaan käyttöön ensi vuonna.

Toisessa jännittävässä uutisessa Nvidia on ilmeisesti tekemässä yhteistyötä Taiwanin Foxconnin kanssa humanoidirobottien käyttöönotossa uudessa Foxconn-tehtaassa, joka valmistaa Nvidian AI‑palvelimia. Odotetaan, että toteutus saadaan päätökseen tulevina kuukausina, ja se merkitsisi merkittävää virstanpylvästä ihmismäisten robottien omaksumisessa valmistusprosessien mullistamiseksi.

Uusimmat NVIDIA Corporation (NVDA) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Lopulliset ajatukset AI‑jäähdytysinnovaatiosta

Kun tekoäly jatkaa teollisuuden muokkaamista, sen valtavat laskentatarpeet aiheuttavat ennennäkemättömän energiankulutuksen ja lämmöntuoton. Tässä lupaava tutkimus kapillaari‑virtaavasta ohutkalvohaihtumisesta edustaa ratkaisevaa askelta kohti energiatehokkaampaa, kestävämpää ja skaalautuvampaa AI‑infrastruktuuria tulevaisuudessa.

Korkean teoreettisen kriittisen lämmönvirtausnopeuden (CHF) ansiosta kapillaari‑virtaava ohutkalvohaihtuminen nanoporoisissa membraneissa tarjoaa lupaavan lämmönhallintastrategian korkean tehon elektronisille laitteille. Viimeisin tutkimus havaitsi, että kuitumembranien avoimet huokoset ovat toisiinsa kytkeytyneitä, toimien tehokkaina haihduttimina, jotka mahdollistavat nopean ja tasaisen nestekuljetuksen useiden reittien kautta samalla vähentäen tukkeutumista ja varmistamalla tasaisen kostumisen pinnalla.

Kestävän pitkäaikaisen vakauden osoittaminen tekee 3D‑kuitumembranihaihduttimista erittäin lupaavan ratkaisun kehittyneeseen lämmönhallintaan, tarjoten tehokkaita jäähdytysratkaisuja nykyaikaisten elektronisten järjestelmien vaatimuksiin.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken tekoälyyn sijoittamisesta.

Viitteet:

1. Feng, T.; Pei, Y.; Zhang, H.; Asai, B.; Dong, G.; Joshi, A.; Saha, A.; Cai, S.; Chen, R. Korkea virtaus ja vakaa ohutkalvohaihtuminen kuitumembraneista, joissa on toisiinsa kytkeytyvät huokoset. Joule 2025, 9 (6), 101975. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101975