Data center tạo quá nhiều nhiệt: Công nghệ mới muốn dùng chính nhiệt thải đó để tạo ra… lạnh

Nhiệt là thứ data center luôn cố đưa ra ngoài. Một nhóm nghiên cứu tại Karlsruhe Institute of Technology (KIT) và University of Tsukuba lại muốn dùng chính nó làm đầu vào cho quá trình làm lạnh.

Trong một nghiên cứu công bố trên Nature Energy ngày 28/8/2026, nhóm của Yi-Ting Hsiau, Shuichi Miyazaki, Manfred Kohl và Jingyuan Xu trình diễn một hệ làm lạnh elastocaloric được kích hoạt bằng nhiệt. Thay vì dùng motor điện để kéo vật liệu làm lạnh, prototype dùng một màng hợp kim nhớ hình khác làm “cơ bắp”: gặp nóng, nó co lại và tạo lực cơ học.

Ý tưởng đặc biệt hấp dẫn với máy tính hiệu năng cao và data center, nơi nhiệt thải luôn có sẵn. Nhưng đây chưa phải một hệ thống có thể gắn vào rack GPU. Thử nghiệm hiện tại tạo ra công suất làm lạnh chỉ vài miliwatt, và cấu hình dùng nguồn nhiệt bên ngoài cần tới 130°C — cao hơn đáng kể so với nhiệt độ chất lỏng thường gặp trong các hệ liquid cooling của data center.

Hai màng kim loại, hai nhiệm vụ khác nhau

Elastocaloric cooling khai thác một tính chất của hợp kim nhớ hình: cấu trúc tinh thể của vật liệu có thể chuyển pha khi chịu ứng suất cơ học. Khi bị kéo, vật liệu giải phóng nhiệt; khi tải được bỏ đi và quá trình chuyển pha đảo ngược, nó hấp thụ nhiệt và lạnh xuống.

Vấn đề là để chu trình đó lặp lại, các hệ elastocaloric trước đây vẫn cần một actuator — thường là cơ cấu điện — để liên tục kéo và nhả vật liệu. Điều này khiến một công nghệ làm lạnh “trạng thái rắn” vẫn phụ thuộc vào phần truyền động tương đối cồng kềnh.

Nhóm KIT–Tsukuba thay actuator điện bằng một màng titanium–nickel (TiNi) dày 22 micromet. Màng này có hiệu ứng nhớ hình một chiều: khi được làm nóng, nó cố trở về chiều dài đã được định hình trước và tạo ra lực kéo.

Lực đó được truyền qua một phần tử ghép polymer sang màng titanium–nickel–iron (TiNiFe) dày 26,5 micromet đóng vai trò chất làm lạnh. Màng TiNiFe được kéo để chuyển sang pha martensite và tỏa nhiệt; sau khi nhiệt được thải ra, nó được nhả tải, chuyển pha ngược và hấp thụ nhiệt từ phía cần làm lạnh.

Nói ngắn gọn, chuỗi chuyển đổi là: nhiệt → chuyển động cơ học → biến dạng vật liệu → lạnh. Không có máy nén khí lạnh truyền thống và actuator điện không còn là nguồn lực chính. Tuy vậy, “solid-state” ở đây không có nghĩa toàn bộ thiết bị đứng yên: prototype vẫn có chuyển động cơ học của màng, slider và các bề mặt trao đổi nhiệt.

2,2 K là kết quả thật — nhưng công suất chỉ 2,09 mW

Nhóm nghiên cứu kiểm tra hệ thống theo hai cấu hình khác nhau, và hai bộ số liệu cần được tách biệt.

Trong cấu hình đầu tiên, màng actuator được gia nhiệt Joule lên nhiệt độ đỉnh trung bình khoảng 86°C. Màng làm lạnh TiNiFe tạo ra chênh lệch nhiệt độ 12,9 K ở cấp vật liệu, nhưng khi đo trên toàn thiết bị, chênh lệch còn 4,0 K. Công suất làm lạnh tại mức chênh nhiệt bằng 0 được đo khoảng 2,79 mW, tương ứng công suất riêng 4,43 W/g tính theo khối lượng vật liệu làm lạnh hoạt động.

Quan trọng hơn đối với ý tưởng tận dụng nhiệt thải, nhóm sau đó thay gia nhiệt điện trở bằng một nguồn nhiệt bên ngoài ở 130°C. Hệ vẫn hoạt động, nhưng chênh lệch nhiệt độ ở cấp thiết bị giảm xuống 2,2 K và công suất làm lạnh được báo cáo là 2,09 mW.

Con số 2,2 K ở đây là độ chênh giữa phía nóng và phía lạnh, có độ lớn tương đương 2,2°C. Nó không có nghĩa thiết bị đã làm một vật thể xuống 2,2°C.

Ở quy mô vài miliwatt, prototype này chưa thể xử lý nhiệt của CPU, GPU hay một rack máy chủ. Giá trị của kết quả nằm ở chỗ nhóm đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng một nguồn nhiệt bên ngoài có thể cung cấp lực cho chu trình elastocaloric mà không cần motor điện làm actuator.

Tại sao data center là ứng dụng hấp dẫn?

Data center biến phần lớn điện năng cấp cho phần cứng thành nhiệt, rồi lại phải dành thêm hạ tầng để đưa nhiệt đó ra môi trường. Theo IEA, các data center trên toàn cầu đã tiêu thụ khoảng 1,5% điện năng thế giới trong năm 2024; nhu cầu còn tiếp tục tăng khi các cụm AI ngày càng lớn.

Trong các hệ liquid cooling hiện đại, nhiệt được thu trực tiếp từ chip vào vòng chất lỏng. Điều đó không chỉ giúp xử lý mật độ công suất cao hơn mà còn tạo ra một dòng nhiệt tập trung, dễ khai thác hơn so với luồng khí nóng loãng từ phòng máy.

Về lý thuyết, đây là môi trường rất hợp với một actuator chạy bằng nhiệt: nhiệt từ chip có thể kích hoạt màng TiNi, màng này kéo vật liệu elastocaloric, còn phần lạnh tạo ra được dùng để hỗ trợ làm mát một khu vực khác của hệ thống.

Nhưng có một khoảng cách nhiệt độ đáng kể giữa ý tưởng và data center thực tế. hướng dẫn thiết kế AI data center của ASHRAE mô tả các kiến trúc liquid cooling mới với chất lỏng cấp vào rack tới khoảng 45°C và dòng hồi có thể lên tới khoảng 65°C. Trong khi đó, phép thử với nguồn nhiệt bên ngoài của nhóm KIT–Tsukuba sử dụng 130°C.

Điều đó không bác bỏ khả năng dùng nhiệt thải data center, nhưng nó cho thấy prototype hiện tại chưa chứng minh được điều quan trọng nhất cho ứng dụng này: liệu thiết bị có thể tạo đủ lực và đủ lạnh khi được kích hoạt bởi nguồn nhiệt chỉ vài chục độ C hay không.

Không phải “làm lạnh miễn phí”

Cụm “dùng nhiệt để tạo lạnh” dễ tạo cảm giác hệ thống đang đảo ngược nhiệt động lực học. Thực tế không có nghịch lý nào ở đây. Nguồn nóng cung cấp năng lượng cho actuator; vật liệu làm lạnh dùng công cơ học đó để bơm nhiệt từ phía lạnh sang phía nóng, và hệ vẫn phải có đường thải nhiệt ra môi trường.

Thiết bị cũng chưa phải một hệ làm lạnh hoàn chỉnh không dùng điện. Các cơ cấu điều khiển, trao đổi nhiệt và tuần hoàn nhiệt ở quy mô thực tế vẫn có thể cần điện. Điều nhóm nghiên cứu loại bỏ là nhu cầu dùng actuator điện để trực tiếp cung cấp lực cho chu trình elastocaloric.

Đây cũng là lý do không nên so công suất riêng vài watt trên gram với công suất của một chiller thương mại rồi kết luận công nghệ đã cạnh tranh được. Khối lượng vật liệu hoạt động trong mẫu thử rất nhỏ; công suất tuyệt đối vẫn ở mức miliwatt và các tổn thất khi ghép thành thiết bị lớn hơn chưa được giải quyết.

Từ một cặp màng đến hệ làm lạnh thực dụng còn bao xa?

Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang thử nối nhiều màng song song để tăng công suất làm lạnh. Paper cũng chỉ ra một số hướng cải thiện khác: giảm tổn thất nhiệt ký sinh, cải thiện tiếp xúc truyền nhiệt, tối ưu phần ghép giữa actuator và refrigerant, tăng tốc độ biến dạng và dùng kiến trúc nhiều tầng để tạo chênh lệch nhiệt độ lớn hơn.

Đối với data center, bài toán còn thêm một tầng khó: actuator phải hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với thử nghiệm 130°C, chịu hàng triệu chu kỳ mà không mỏi vật liệu, có mật độ công suất đủ cao và tích hợp được với vòng liquid cooling mà không làm hệ thống phức tạp hơn mức lợi ích nó đem lại.

Vì vậy, kết quả hiện tại nên được xem là một proof of concept ở quy mô nhỏ, không phải giải pháp làm mát data center sắp thương mại hóa. Nhưng nó thay đổi một phần quan trọng của bài toán: nhiệt thải không nhất thiết chỉ là thứ phải tống đi hoặc đưa sang hệ thống sưởi. Nếu actuator nhiệt có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn và được mở rộng công suất, chính dòng nhiệt đó có thể trở thành nguồn năng lượng cho một phần chu trình làm lạnh.

Bước thử thách tiếp theo không còn là chứng minh “nhiệt có thể tạo ra lạnh” — nhóm đã làm được điều đó. Câu hỏi khó hơn là liệu họ có thể làm được với nhiệt độ, công suất và độ bền mà một data center thực sự yêu cầu hay không.