Gaan we in datacenters ‘spray cooling’ zien als nieuwe vorm van liquid cooling?

Wie denkt dat vloeistofkoeling niet verder kan worden geperfectioneerd, heeft waarschijnlijk nog niet gehoord van spray cooling. Deze koelingstechniek, waarbij een fijne nevel van niet-geleidend koelmiddel rechtstreeks op de chip wordt gesproeid, wordt al jaren toegepast in enkele supercomputers, maar is tot nu toe nooit echt buiten dat domein gekomen. Daar zou wel eens verandering in kunnen komen.

Een Duitse overclocker Der8auer demonstreerde de techniek onlangs op een desktopprocessor — met wisselend succes. Toch roept zijn experiment de vraag op of spray cooling ook in datacenters voet aan de grond kan krijgen.

Der8auer, in de hardwarewereld bekend om zijn technische experimenten, paste de techniek toe op een AMD Ryzen 7 9800X3D. Hij gebruikte een op maat gemaakte koelopstelling waarbij een nevel van koelvloeistof rechtstreeks op het metalen deksel (IHS) van de processor werd gespoten. De mist verdampt zodra die het hete oppervlak raakt, waarna de damp terugstroomt naar een koelloop, afkoelt en weer vloeibaar wordt. Het principe lijkt op dat van een vapor chamber – een gesloten systeem waarin vloeistof voortdurend verdampt en condenseert – maar spray cooling doet dit in een open, gecontroleerde nevelomgeving.

Om te laten zien hoe de techniek oorspronkelijk bedoeld was, haalde Der8auer een processor van stal uit 2003: de Cray X1, onderdeel van een supercomputer die speciaal voor spray cooling was ontworpen. Deze chip was verpakt in een roestvrijstalen behuizing met ingebouwde micro-nozzles die gericht zijn op de verschillende dies van de processor. In zo’n systeem is de richting en druk van elke nozzle cruciaal: als zelfs maar een klein deel van een chip niet wordt geraakt door de nevel, kan dat direct leiden tot plaatselijke oververhitting.

Ook het koelmiddel zelf is een belangrijke factor. Het moet niet-geleidend zijn, zodat het geen kortsluiting veroorzaakt, en het moet een laag kookpunt hebben zodat het precies op de juiste temperatuur verdampt. Een verkeerde keuze – bijvoorbeeld een vloeistof die te laat verdampt – kan ertoe leiden dat warmte zich ophoopt in plaats van wordt afgevoerd.

In zijn test gebruikte Der8auer een geïmproviseerd systeem met twee aparte circuits: één voor het koelmiddel en één voor lucht onder hoge druk, die samen de nevel vormden. Hoewel de nevel slechts een deel van het IHS bereikte, wist hij de Ryzen-processor toch te koelen tot een werkbare temperatuur, voldoende om een Cinebench R23-test af te ronden zonder thermische problemen. De prestaties bleven met 18.164 punten wel achter bij de gebruikelijke 23.000, en de temperatuur liep op tot zo’n 95 graden Celsius.

Dat lijkt weinig indrukwekkend, maar het experiment toont aan dat de methode werkt — zij het verre van geoptimaliseerd. Een goed ontworpen spray cooling-systeem dat de hele chip gelijkmatig besproeit, zou in theorie veel betere resultaten kunnen behalen. In supercomputers als de Cray-2 werd die potentie al benut. Daar bood spray cooling een manier om enorme hoeveelheden warmte snel af te voeren, precies wat nodig is bij extreem rekenintensieve workloads, zoals AI-applicaties.