Je kvapalinové chladenie dokonalým riešením chladenia pre servery AI?

 

I Tradičné chladenie vzduchom je preťažené; Objavuje sa technológia chladenia kvapalinou

 

Tri piliere AI sú čipy, výpočtový výkon a algoritmy. Čipy a výpočtový výkon sú hnacím motorom produktivity a na dosiahnutie mimoriadneho výpočtového výkonu ľudia neustále hľadajú rýchlejšie procesory a efektívnejší hardvér. So zvyšujúcim sa výpočtovým výkonom AI a zlepšovaním výkonu CPU a GPU sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje spotreba energie čipu a generovanie tepla. Napríklad čipy GPU radu NVIDIA H200 majú TDP (Thermal Design Power) až 700 W.

 

Tradičné chladenie vzduchom má svoje limity. Princípom chladenia vzduchom je nechať vzduch prúdiť po povrchu chladičov, aby sa teplo rozptýlilo. Aktuálne najlepšie vzduchové chladiče na trhu zvládnu výkon až 275W. Tradičné chladenie vzduchom už nemôže spĺňať požiadavky na chladenie bežných serverov AI.

 

Objavila sa technológia chladenia kvapalinou. Princíp kvapalinového chladenia spočíva v cirkulácii kvapalného chladiva v serveri, pričom tepelnou výmenou absorbuje teplo z komponentov generujúcich teplo. Kvapalinové chladenie ponúka vyššiu účinnosť chladenia a umožňuje presnú kontrolu chladiacej kvapaliny, aby sa prispôsobila rôznym pracovným prostrediam, aj keď prináša vyššie náklady.

 

Kvapalinové chladenie získalo oficiálne uznanie. V júni 2023 traja hlavní čínski telekomunikační operátori spoločne vydali „Bielu knihu o technológii chladenia kvapalín pre telekomunikačných operátorov (2023), v ktorej jasne propagujú dve technické cesty: chladenie kvapalinou so studenou doskou a jednofázové chladenie kvapalinou ponorením. Načrtli tiež plán propagácie pre 2023-2025:

 

▲ Propagačný plán pre 2023-2025

 

 

II Čo je kvapalinové chladenie?

 

Kvapalinové chladenie je metóda chladenia, ktorá využíva kvapalinu ako chladiacu kvapalinu na prenos tepla generovaného vnútornými komponentmi IT zariadení v dátových centrách smerom von, čím sa zaisťuje, že časti IT zariadení generujúce teplo budú fungovať v bezpečnom teplotnom rozsahu. Hlavné kvapalné chladiace riešenia sa delia hlavne na typy studených dosiek a ponorných typov. Ponorné kvapalinové chladenie možno ďalej rozdeliť na ponorné chladenie s fázovou zmenou a bez fázovej zmeny v závislosti od toho, či chladivo prechádza fázovou zmenou.

 

▲ Technológia chladenia kvapalinou

 

Chladenie kvapalinou s chladiacou doskou funguje pomocou chladiča vyrobeného z kovov, ako je meď alebo hliník, ktoré majú dobrú tepelnú vodivosť. Teplo generované komponentmi sa prenáša do chladiacej kvapaliny v chladiči, ktorá potom teplo odvádza preč.

 

Ponorné kvapalinové chladenie je spôsob chladenia kvapalinou s priamym kontaktom, pri ktorom sú IT zariadenia, ako sú servery (vrátane CPU, pamäte, I/O atď.), úplne ponorené do chladiacej kvapaliny. Chladenie prebieha cirkuláciou kvapaliny. Technológia ponorného chladenia so zmenou fázy, ktorá sa rýchlo rozvíja, funguje tak, že ochladzuje súčiastky generujúce teplo, čím spôsobí odparovanie chladiva a následne kondenzáciu pary späť do kvapalnej formy na opätovné použitie. Táto metóda ponúka vyššiu účinnosť chladenia a nižšiu hlučnosť.

 

 

III Mali by byť všetky riešenia chladenia serverov nahradené kvapalinovým chladením?

 

Očividne nie. Spôsoby chladenia dátových centier zahŕňajú chladenie núteným vzduchom aj chladenie kvapalinou. Zatiaľ čo technológia vzduchového chladenia je relatívne vyspelá, kvapalinové chladenie je novšou požiadavkou poháňanou zvýšenými potrebami chladenia dátových centier v posledných rokoch.

 

V súčasnosti majú dátové centrá predovšetkým tri riešenia chladenia:

1. Navrhovanie nových dátových centier, ktoré sa spoliehajú výlučne na kvapalinové chladenie, vytváranie menších, efektívnejších dátových centier s obrovským výpočtovým výkonom.

2. Navrhovanie dátových centier, ktoré primárne využívajú chladenie vzduchom, ale zahŕňajú možnosti chladenia kvapalinou na zjednodušenie budúcich prechodov.

3. Prevádzkovatelia dátových centier integrujúci kvapalinové chladenie do existujúcich vzduchom chladených zariadení, pričom často čiastočne premieňajú vzduchové chladiace systémy na kvapalinové chladenie.

 

▲ Odporúčané spôsoby chladenia pre rôzne typy dátových centier

 

 

 

IV Akým výzvam čelí chladenie kvapalinou?

 

1. Problémy s nákladmi

Náklady na kvapalinové chladiace systémy zahŕňajú vysoké materiálové náklady (chladivo, chladiče, potrubia atď.), ako aj zložitosť návrhu a výroby, vysoké náklady na inštaláciu a údržbu a potrebu vyšších investícií na dosiahnutie vysokej spoľahlivosti.

 

2. Problémy so spoľahlivosťou

 

Stabilita:Chemická stabilita kvapalného chladiva môže byť nedostatočná, čo vedie k degradácii, oxidácii alebo tvorbe škodlivých látok počas používania, čo ovplyvňuje chladiaci účinok a stabilitu systému.

 

Únik:V prípade úniku kvapaliny, upchatia potrubia alebo iných incidentov môžu existujúce systémy nepriameho kvapalinového chladenia zlyhať pri detekcii porúch včas, čo ohrozuje bezpečnosť servera.

 

Kompatibilita:Niektoré zariadenia dátového centra nemusia byť vhodné pre systémy chladenia kvapalinou, čo si vyžaduje dodatočné úpravy a úpravy.

 

 

V Aké sú výrobné odvetvia v oblasti chladenia kvapalinou?

 

Priemyselný ekosystém kvapalného chladenia zahŕňa dodávateľov komponentov, poskytovateľov serverov chladených kvapalinou a používateľov počítačového výkonu so zameraním na chladiace platne a systémy ponorného chladenia kvapalinou.

 

▲ Princíp chladiaceho systému kvapalín so studenou doskou

 

▲ Princíp ponorného kvapalinového chladiaceho systému

 

 

1. Proti prúdu

 

▲ Proti prúdu chladiaceho systému chladenia kvapalín
 

Chladiaci systém chladiacej dosky pozostáva hlavne z CDU, zdroja chladu, chladiacej kvapaliny, potrubí na chladenie kvapalín a skrine na chladenie kvapalín. Ponorný kvapalinový chladiaci systém pozostáva hlavne z CDU, zdroja chladu, potrubí na chladenie kvapaliny, ponornej komory, IT zariadenia a chladiacej kvapaliny.

 

Chladiaca distribučná jednotka (CDU)

CDU sa používa na výmenu tepla medzi vysokoteplotným chladivom na sekundárnej strane a zdrojom chladu na primárnej strane, zabezpečuje rozvod chladenia pre kvapalinou chladené IT zariadenia a riadi monitorovanie teploty, tlaku a prietoku. Má funkcie, ako je výmena tepla, cirkulácia, čistenie chladiacej kvapaliny a skladovanie kvapaliny. CDU pozostáva hlavne z výmenníka tepla/kondenzátora, obehového čerpadla, filtra, zásobníka kvapaliny a príslušenstva (ventily, potrubia, konektory, snímače atď.).

 

Studený zdroj

Vonkajší zdroj chladu kvapalinového chladiaceho systému možno vybrať na základe podmienok zo suchých chladičov, uzavretých chladiacich veží alebo chladičov.

 

Potrubie na chladenie kvapalín

Potrubia sú nevyhnutné komponenty, ktoré spájajú teplovýmennú chladiacu dosku, chladiacu distribučnú jednotku, teplovýmennú jednotku a vonkajší zdroj chladu. Vo všeobecnosti možno cirkulačné potrubia rozdeliť na typy priameho pripojenia (asynchrónne) a slučkového pripojenia (synchrónne) na základe ich rôznych spôsobov pripojenia.

 

Chladiaca kvapalina

Bežné chladivá pre chladiace systémy zahŕňajú vodu, etylénglykol, propylénglykol atď. Tieto chladivá majú vysokú špecifickú tepelnú kapacitu a nízku viskozitu, čo im umožňuje rýchlo absorbovať teplo generované zariadením a prenášať ho do výmenníka tepla na rozptýlenie.

 

Bežné ponorné chladivá (izolačné) zahŕňajú minerálny olej, zlúčeniny fluórovaných uhľovodíkov atď. Medzi nimi môže chladenie so zmenou fázy používať iba nehorľavé zlúčeniny fluórovaných uhľovodíkov. Kompatibilita medzi chladiacim médiom a materiálmi rôznych komponentov je jedným z kľúčových faktorov ovplyvňujúcich výkon ponorného chladiaceho systému so zmenou fázy.

 

V súčasnosti je k dispozícii niekoľko typov fluórovaných kvapalín na ponorné chladenie so zmenou fázy, pričom hlavným dodávateľom je spoločnosť 3M. Čínske ponorné kvapalinové chladenie je stále v plienkach.

 

Zapečatená komora

Komora sa používa na uloženie chladiacej kvapaliny so zmenou fázy. Komora musí byť utesnená na chladiacej platni, potrubiach, konektoroch a iných častiach, aby sa zabezpečila bezpečnosť bez úniku, čím sa zabezpečí integrita prenosu energie a signálu a bezpečnosť dátového centra. Preto sú potrebné vlastné tesniace komponenty, ako sú gumové tesnenia, konektory na výstup kvapaliny, napájacie konektory, signálne konektory atď.

 

Skriňa na chladenie kvapaliny

Kvapalinová chladiaca skriňa pozostáva hlavne z kvapalinovej chladiacej dosky, rozdeľovača, potrubí, konektorov, rýchlospojok, rozdeľovača kvapaliny a voliteľného kompresora.

 

Kvapalina chladiaca doska funguje ako jednotka na prenos tepla, ekvivalentná výparníku v chladiacom systéme, a je kľúčovou technológiou navrhnutou pre chladiaci systém. Vo všeobecnosti pozostáva z krycej dosky, rebier, základnej dosky a tesnenia.

Rozdeľovač je zariadenie, ktoré spája chladiacu distribučnú jednotku so studenou doskou chladiaceho servera. Zvyčajne je zabudovaný v skrini, rovnomerne rozdeľuje tok chladiacej kvapaliny do každej vrstvy studenej platne a zhromažďuje chladiacu kvapalinu potom, čo absorbuje teplo, a posiela ju cez spojovacie potrubia do jednotky na distribúciu chladenia.

 

Rýchlospojka obsahuje hlavné telo a koncovú koncovku. Hlavné telo je primárnou jednotkou na dosiahnutie funkcií pripojenia a tesnenia kvapalinového rýchlospojky, zatiaľ čo koncová svorka slúži ako inštalačný port na montáž a zaistenie rýchlospojky na kvapalinu.

 

Kontrolný systém

Riadiaci systém monitoruje a reguluje činnosť chladiaceho systému vrátane snímačov teploty a tlaku, ktoré merajú odvod tepla a upravujú otáčky čerpadla alebo prietok chladiacej kvapaliny.

 

Filtračné a čistiace zariadenia

Filtre sa používajú na odstránenie nečistôt a častíc z kvapalného chladiva, čím sa zabezpečuje výkon systému a dlhá životnosť. Chladivo sa dá vyčistiť metódami ako UV sterilizácia alebo chemické ošetrenie.

 

2. Stredný prúd

Stredný prúd pozostáva predovšetkým zo systémov kvapalinového chladenia, kde sú kľúčové komponenty, ako sú radiátory, čerpadlá, potrubia a chladiace kvapaliny integrované do jedného systému. Tieto spoločnosti vyžadujú určitú úroveň technickej odbornosti a výrobnej kapacity na zabezpečenie kvality a výkonu produktov.

 

3. Po prúde

Následnými používateľmi výpočtového výkonu sú dátové centrá, superpočítače, servery AI, elektronické zariadenia, nové energetické vozidlá, lasery, invertory a ďalšie priemyselné zariadenia. Technológia chladenia kvapalinou sa dokonca používa v oblasti letectva. Vďaka svojim vysoko účinným chladiacim charakteristikám sa kvapalinou chladené dátové centrá a ich infraštruktúra používajú najmä vo vysokovýkonných výpočtových oblastiach. V súčasnosti medzi odvetvia využívajúce technológiu chladenia kvapalinou patrí internet, financie, telekomunikácie, energetika, biológia a zdravotníctvo.

 

Medzi nimi je internet hlavným zákazníkom kvapalinou chladených dátových centier so značným dopytom po dátach, širokou užívateľskou základňou a veľkými obchodnými objemami. Požiadavky na výpočtový výkon pre dátové centrá sú vysoké, hustota výkonu v jednom kabinete presahuje 10 kW.

 

 

VI V akom štádiu je industrializácia chladenia kvapalinou?

 

V súčasnosti sú už väčšinou ukončené rôzne validácie kvapalinou chladených dátových centier a v nasledujúcich troch rokoch dôjde k rozšíreniu technológie kvapalinového chladenia vo veľkom meradle. Z technického hľadiska zostáva chladenie studenými doskami hlavným prúdovým riešením chladenia kvapalinou na trhu; na fronte priemyselného rozvoja sa v tomto odvetví stal konsenzom kompletný model poskytovania, od infraštruktúry po zariadenia AI; Pokiaľ ide o zákazníkov, sektor internetu a telekomunikácií, dvaja najväčší zákazníci aplikácií v odvetví dátových centier, preukázali pozitívne uznanie technológie chladenia kvapalinou.

 

Podľa polročnej správy z roku 2023, ktorú zverejnili príslušné priemyselné spoločnosti, ich kvapalinou chladené dátové centrá nazhromaždili kapacitu viac ako 260 MW, čo zahŕňa viaceré odvetvia, ako sú technológie, energetika, vláda, financie a internet.

 

 

VII Aký veľký je trh s AI kvapalinovým chladením?

 

Podľa údajov od Caitong Securities vzrastie trhová veľkosť čínskych dátových centier s kvapalinovým chladením zo 6,999 miliardy juanov v roku 2022 na viac ako 35,877 miliardy juanov v roku 2025, pričom veľkosť trhu s tekutým chladením dátových centier AI sa zvýši z 5,552 miliardy juanov v roku 2022 na 27,964 miliardy juanov v roku 2025, čo predstavuje zložené ročné tempo rastu 76,2 %. Na základe klasifikácie produktov sa očakáva, že produkty na ponorné chladenie s vyššou účinnosťou chladenia a schopnosťou efektívne znížiť PUE (účinnosť využitia energie) dátových centier získajú väčší podiel na trhu, ktorý vzrastie z 18 % v roku 2019 (s chladom doskové kvapalné chladiace produkty predstavujú 82 % až 41 % v roku 2025.

 

Keďže trh vyžaduje vyššie chladenie a energetickú účinnosť pre infraštruktúru dátových centier, priemysel predpovedá, že miera prieniku produktov kvapalného chladenia dosiahne do roku 2025 20 %, pričom podiel na trhu sa bude neustále rozširovať. Jar rozsiahlych aplikácií pre AI kvapalinou chladené servery sa potichu blíži!

 

 

VIII Aké sú známe spoločnosti na chladenie kvapalín?

 

Medzi hlavných hráčov na zámorskom trhu chladenia s chladiacimi doskami patria IBM, CoolIT Systems, Asetek a Motivair, zatiaľ čo hlavnými hráčmi na trhu s ponorným chladením sú GRC, LiquidStack a Midas.