Kvapalinové chladenie – chladiaca technológia novej generácie pre dátové centrá a serverové klastre
Sep 19, 2024
Zanechajte správu
I Prehľad odvetvia chladenia kvapalín
1. História vývoja kvapalinového chladenia
Pokiaľ ide o históriu kvapalinou chladených serverov, IBM v roku 1967 ako prvá vyvinula počítač System360 so systémom chladenia studenou vodou.
Hoci sa čínsky priemysel kvapalného chladenia rozvinul pomerne neskoro, jeho technológia rýchlo pokročila. V roku 2011 bol Sugon priekopníkom v odvetví chladenia kvapalinou v Číne. Počas nasledujúcich piatich rokov začali čínske spoločnosti ako Huawei, Inspur a Sugon vstupovať na trh a zvyšovať výrobu. Od roku 2019 zaznamenala technológia chladenia kvapalinou významný pokrok u hlavných výrobcov.

▲ História vývoja v priemysle kvapalného chladenia doma aj v zahraničí
2. Priemyselný reťazec serverov chladených kvapalinou
Priemyselný ekosystém chladenia kvapalinou zahŕňa upstream, midstream a downstream sektory, vrátane dodávateľov upstream komponentov, poskytovateľov stredne chladených serverov chladených kvapalinou a užívateľov výpočtového výkonu.
Upstream: Hlavne dodávatelia komponentov produktov a zariadení na chladenie kvapalinou, ako sú rýchle konektory, jednotky CDU, solenoidové ventily, ponorné nádrže na chladenie kvapaliny, rozdeľovače a chladiace kvapaliny.
Stredný prúd:Primárne výrobcovia serverov a čipov chladených kvapalinou, ako aj integrované zariadenia, moduly a skrine chladenia kvapalinou.
Po prúde:Zahŕňa troch hlavných telekomunikačných operátorov, internetové spoločnosti ako Baidu, Alibaba, Tencent a JD, ako aj klientov v informačnom priemysle pre telekomunikačné, internetové, vládne, finančné, dopravné a energetické aplikácie.

▲ Priemyselný reťazec serverov na chladenie kvapalinou
II Základné pojmy kvapalinového chladenia
1. Klasifikácia technológie chladenia kvapalinou
Kvapalinové chladenie využíva kvapalinu ako chladiacu kvapalinu, ktorá ju cirkuluje na prenos tepla z vnútorných komponentov IT zariadení v dátových centrách smerom von, čím sa zaisťuje bezpečná prevádzka.
Výhody kvapalinového chladenia:Ponúka ultra vysokú účinnosť a hustotu tepla, efektívne odvádza teplo a nie je ovplyvnený nadmorskou výškou, geografiou alebo teplotou.
V súčasnosti existujú tri hlavné typy technológie chladenia kvapalinou: chladenie kvapalinou so studenou doskou, chladenie rozprašovaním a chladenie ponornou kvapalinou.

▲ Klasifikácia technológií chladenia kvapalinou
2. Porovnanie troch technológií chladenia kvapalinou - chladenie kvapalinou so studenou platňou
Kvapalné chladenie chladiacich dosiek využíva uzavretú dutinu vyrobenú z tepelne vodivých kovov (ako je meď alebo hliník) na nepriamy prenos tepla z komponentov generujúcich teplo do kvapalného chladiva cirkulujúceho v uzavretej slučke. Systém sa zvyčajne skladá z chladiacej veže, CDU, primárneho a sekundárneho kvapalinového chladiaceho potrubia, chladiacej kvapaliny a kvapalinou chladených skríň. Kvapalinou chladené skrine obsahujú komponenty ako chladiace platne, vnútorné potrubie, kvapalinové konektory a rozdeľovače.
Chladenie kvapalinou s chladiacou doskou, ako bezkontaktná metóda chladenia kvapalinou, má za sebou viac ako 10 rokov výskumu a je najvyspelejšou technológiou medzi tromi hlavnými riešeniami chladenia kvapalinou. Je to efektívna aplikácia na nasadenie vysokovýkonných zariadení, zlepšenie energetickej účinnosti, zníženie prevádzkových nákladov na chladenie a zníženie celkových nákladov na vlastníctvo (TCO). Keďže však nedosahuje 100% kvapalinové chladenie, je menej účinný, keď je spotreba energie skrine nízka alebo podiel kvapalinového chladenia je minimálny. Okrem toho musí návrh chladiacich platní zohľadňovať existujúce rozloženie komponentov, čím sa štrukturálny návrh a implementácia stávajú zložitejšími a štandardizácia sa ťažšie presadzuje.

▲ Schéma princípu chladiaceho systému chladiacej kvapaliny
3. Porovnanie troch technológií chladenia kvapalinou - chladenie ponornou kvapalinou
Ponorné chladenie kvapalinou zahŕňa úplné ponorenie komponentov generujúcich teplo do chladiacej kvapaliny, čo umožňuje priamy kontakt medzi komponentmi a chladivom na výmenu tepla. Vonkajšie komponenty systému zahŕňajú chladiacu vežu, primárne potrubie a primárne chladivo, zatiaľ čo vnútorné komponenty zahŕňajú CDU, ponornú komoru, IT vybavenie, sekundárne potrubie a sekundárne chladivo. Keďže IT zariadenia sú úplne ponorené do sekundárneho chladiva, musia sa používať nevodivé kvapaliny, ako je minerálny olej, silikónový olej alebo fluórované kvapaliny.
Na základe toho, či dochádza k fázovej zmene počas výmeny tepla, možno ponorné chladenie kvapaliny rozdeliť na dva typy:
1) Jednofázové ponorné chladenie:Sekundárne chladivo podlieha zmene teploty iba počas prenosu tepla bez zmeny fázy a teplo sa prenáša výlučne prostredníctvom citeľného tepla.
2) Dvojfázové ponorné chladenie:Sekundárne chladivo prechádza fázovou zmenou počas prenosu tepla pomocou latentného tepla na prenos tepla.
V porovnaní s tradičným chladením vzduchom a chladením kvapalinou so studenou doskou ponúka chladenie ponornou kvapalinou výhody, ako je úspora energie (PUE < 1,13), kompaktnosť, vysoká spoľahlivosť a nízka hlučnosť. Čelí však aj výzvam, ako sú obmedzenia výberu komponentov, obmedzenia údržby a špecifické požiadavky na prostredie v miestnosti.

▲ Dvojfázové ponorné chladenie
4. Porovnanie troch technológií chladenia kvapalinou - Chladenie rozprašovaním
Chladenie rozprašovaním je metóda priameho kontaktu, pri ktorej sa chladivo presne nastrieka na komponenty na úrovni čipov prostredníctvom gravitácie alebo tlaku systému, čím sa ochladia komponenty generujúce teplo alebo tepelne vodivé prvky, ktoré sú k nim pripojené. Systém sa zvyčajne skladá z chladiacej veže, CDU, primárneho a sekundárneho kvapalinového chladiaceho potrubia, chladiacej kvapaliny a rozprašovaním chladených skríň. Rozprašovaním chladené skrine zvyčajne obsahujú potrubný systém, systém distribúcie kvapaliny, rozprašovacie moduly a vratný systém.
Chladenie rozprašovaním tiež dosahuje 100% chladenie kvapalinou a jeho štruktúra je inovatívnejšia ako chladenie ponorom. Jeho energeticky úsporný výkon je však horší ako imerzné kvapalinové chladenie a má podobné obmedzenia ako ponorné chladenie.

▲ Chladenie rozprašovaním
5. Porovnanie troch technológií chladenia kvapalinou

▲ Porovnanie metód chladenia kvapalinou dátového centra
III Motory rozvoja priemyslu chladenia kvapalín
1. Prudký nárast objemu dát poháňa neustály upgrade výpočtového výkonu
Globálny objem dát a výpočtový výkon rýchlo rastú. Podľa údajov IDC dosiahla globálna dátová sféra v roku 2022 103,66 ZB, zatiaľ čo objem dát v Číne vzrastie z 23,88 ZB v roku 2022 na 76,6 ZB v roku 2027, s CAGR 26,3 %, čo je potenciálne najrýchlejšie tempo rastu na svete. IDC predpovedá, že v priebehu nasledujúcich troch rokov novogenerované globálne údaje presiahnu celkové údaje vytvorené za posledných 30 rokov, čo povedie k exponenciálnemu rastu výpočtového výkonu potrebného na ukladanie, prenos a spracovanie údajov.
Inteligentná modernizácia výpočtového výkonu sa stáva trendom, pričom väčšinu rastu poháňa inteligentná výpočtová technika. Dopyt po spracovaní veľkých objemov komplexných údajov vedie k potrebe výkonnejších a efektívnejších výpočtových zdrojov na podporu vývoja aplikácií umelej inteligencie. Výsledkom je, že výpočtová infraštruktúra sa buduje rýchlejším tempom a stáva sa „základom“ podpory rozvoja digitálnej ekonomiky. Dopyt po dátových schopnostiach a výpočtovom výkone sa navzájom posilňuje. IDC predpovedá, že inteligentná výpočtová sila Číny bude naďalej rýchlo rásť a do roku 2027 dosiahne 1 117,4 EFLOPS s CAGR 33,9 % od roku 2022 do roku 2027.

▲ Globálna mierka objemu údajov a predpoveď
2. Skok vpred od AIGC poháňa prudký nárast dopytu po výpočtovej sile
S neustálym vývojom modelov a algoritmov sa rozsah a zložitosť parametrov výrazne zvýšili, čo má za následok vyššie požiadavky na výpočtový výkon. Vznik veľkých generatívnych modelov, ktoré predstavujú ChatGPT a GPT-4, podnietil rýchly rozvoj v oblasti AIGC, čím ďalej poháňal prudký nárast dopytu po výpočtovom výkone.
Tréningová strana: Model GPT-3 obsahuje približne 174,6 miliardy parametrov a jeho jednorazové trénovanie si vyžaduje približne 3 640 dní PF (beží 3 640 dní rýchlosťou 10 petaflopov za sekundu). Počet parametrov v značke GPT-4 by sa mohol zvýšiť na 1,8 bilióna, pričom dopyt po školení vzrástol na 68-násobok oproti značke GPT-3, čo si vyžaduje 90-100 dni školenia 25.{{16} } GPU A100.
Strana záveru: Pre GPT-3 podľa odhadov Tianyi Think Tank, výpočtový dopyt na generovanie 500 tokenov (približne 350 slov) dosahuje 1,75 PFLOPS.

▲ Vývoj parametrov veľkých modelov (2018-2023)
3. Trh s dátovými centrami sa neustále rozširuje
Ako dôležitá súčasť novej infraštruktúry sa v posledných rokoch s rýchlym rozvojom priemyselného reťazca umelej inteligencie a dátových aplikácií zrýchlila výstavba dátových centier v Číne a počet stojanov dátových centier sa neustále zvyšoval. Na základe štandardného racku s výkonom 2,5 kW dosiahol počet používaných rackov dátových centier v Číne v roku 2021 5,2 milióna. Medzi nimi počet veľkých rackov rástol ešte rýchlejšie a dosiahol 4,2 milióna, čo predstavuje 80 %. Do konca roku 2022 sa celkový počet rackov dátových centier v Číne priblížil k 6 miliónom, čím sa radí medzi celosvetovo top. Očakáva sa, že do roku 2023 dosiahne počet rackov pre dátové centrá v Číne 7,76 milióna, pričom veľkosť trhu dátových centier dosiahne 247 miliárd RMB.

▲ Predpovedaný trend celkového počtu stojanov dátových centier v Číne (2017-2023) (jednotka 10,000 stojany)
4. Problémy so spotrebou energie a rozptylom tepla v dátových centrách sú čoraz výraznejšie
S pribúdajúcim počtom dátových centier prudko stúpla aj ich spotreba elektrickej energie. Podľa relevantných štatistík v roku 2021 čínske dátové centrá spotrebovali 216,6 miliardy kWh a očakáva sa, že do roku 2030 presiahne 380 miliárd kWh. Rýchlo rastúci rozsah dátových centier zároveň zhoršuje problémy s rozptylom tepla:
Celková úroveň:Tradičné dátové centrá majú obrovské náklady na energiu, pričom vysoký podiel spotreby energie sa pripisuje chladeniu. Dátové centrá sú už dlho energeticky náročné, pričom spotreba elektrickej energie v národných dátových centrách predstavuje približne 2 %-3 % celkovej spotreby elektrickej energie. Očakáva sa, že do roku 2030 spotreba elektrickej energie dátových centier presiahne 380 miliárd kWh, pričom emisie uhlíka presiahnu 200 miliónov ton. Tradičné dátové centrá zároveň spôsobujú značné náklady na chladenie. Podľa „Uptime Institute Global Data Center Survey Report 2022“ bola priemerná ročná efektívnosť využitia energie (PUE) vzoriek globálnych dátových centier v roku 2022 1,55 a od roku 2014 sa priemerná ročná PUE drží medzi 1.{12} }.65, čo znamená, že spotreba energie súvisiaca s chladením predstavuje 35 %-39%.
Mikroúroveň:Zvyšovanie výpočtovej hustoty čelí problémom s chladením. Zlepšenie výpočtového výkonu zvyšuje spotrebu energie servera a tepelnú hustotu a tradičné vzduchové chladenie už nedokáže uspokojiť potreby odvádzania tepla elektronických zariadení s vysokou tepelnou hustotou. Ako sa Mooreov zákon vytráca, ľudia neustále zlepšujú pomer energetickej účinnosti čipov a systémov pomocou technológií, ako je heterogénna výpočtová technika, čo však viedlo aj k rýchlemu nárastu spotreby energie jednotlivých čipov. V súčasnosti majú bežné procesorové čipy spotrebu energie okolo 200 W, pričom niektoré novo vydané CPU presahujú 350 W a heterogénne akceleračné čipy ako GPGPU dokonca prekročili 700 W. V tomto kontexte tradičné chladenie vzduchom už nestačí na uspokojenie potrieb chladenia a dátové centrá a servery vyžadujú efektívnejšie chladiace technológie na riešenie problémov s rozptylom tepla s vysokým výkonom, vysokou tepelnou hustotou a vysokou výpočtovou hustotou. čipy a systémy.
Mikroúroveň:Vysoké teploty negatívne ovplyvňujú elektronické komponenty. V prostredí s vysokou teplotou sú materiály strojov, izolácia drôtov a vodotesné tesnenia náchylnejšie na starnutie, čo predstavuje bezpečnostné riziká. Viac ako polovica porúch elektronických komponentov je spôsobená vysokými teplotami. Keď teplota polovodičových komponentov stúpne o 10 stupňov, spätný zvodový prúd sa zdvojnásobí, čím sa zvyšuje riziko požiaru a zvyšuje sa pravdepodobnosť bezpečnostných incidentov, čo môže viesť k paralýze dátového centra.
5. Rýchly nárast hustoty výkonu v jednom stojane si vyžaduje revolúciu v oblasti chladenia v dátových centrách
Obmedzená oblasťou výstavby dátových centier a environmentálnymi predpismi, rastúca hustota výkonu v jednom stojane sa stala kľúčovým riešením na zosúladenie rastúceho dopytu po výpočtovom výkone s obmedzenou kapacitou dátových centier. Podľa údajov zverejnených spoločnosťou Colocation America dosiahol v roku 2020 celosvetový priemerný výkon dátových centier v jednom racku 16,5 kW, čo je 175 % nárast v porovnaní s rokom 2008. Podľa CCID Consulting s rýchlym nárastom výpočtového výkonu dátových centier vysoko- výkonové samostatné stojany sa rozšíria. Očakáva sa, že do roku 2025 dosiahne celosvetový priemerný výkon dátových centier v jednom racku 25 kW.
Technológia chladenia kvapalinou so svojím vysoko účinným chladiacim efektom môže výrazne zlepšiť efektivitu a stabilitu serverov a zároveň umožňuje umiestniť viac serverov v danom priestore dátového centra, čím sa zlepší prevádzková efektivita dátového centra.

▲ Súlad medzi hustotou stojana a metódami chladenia
IV Výhľad a aplikácia trhu s kvapalinovým chladením
1. Očakáva sa, že čínsky trh so servermi na tekuté chladenie dosiahne do roku 2027 hodnotu 8,9 miliardy USD
Keďže sa ekologický vývoj dátových centier stáva trendom a konkurencia v oblasti umelej inteligencie sa zintenzívňuje, čo vedie k skoku v dopyte po vysokovýkonnom výpočtovom výkone, trh serverov s tekutým chladením v Číne v posledných rokoch zaznamenal prudký rast.
Podľa údajov IDC rozsah čínskeho trhu serverov s tekutým chladením dosiahol v roku 2022 1,01 miliardy USD, čo predstavuje medziročný nárast o 189,9 %. V roku 2023 sa očakáva, že si trh udrží rýchly rast, pričom veľkosť trhu by mala dosiahnuť 1,51 miliardy USD. Do roku 2027 sa očakáva, že veľkosť čínskeho trhu so servermi s tekutým chladením dosiahne 8,9 miliardy dolárov.

▲ Veľkosť trhu a prognóza serverov s kvapalinovým chladením v Číne (jednotka: 100 miliónov USD)
2. Štruktúra priemyselných aplikácií dátových centier chladenia kvapalinou v Číne
V kombinácii s chladením vzduchom umožňujú dátové centrá kvapalinového chladenia rozvoj rôznych priemyselných odvetví. V budúcnosti sa na trhu s chladením dátových centier stretnete s modelom spoločného vývoja „chladenie vzduchom + chladenie kvapalinou“. Technológia chladenia vzduchom nebude úplne nahradená kvapalinovým chladením, ale bude vybraná podľa rôznych potrieb zákazníkov s rôznymi riešeniami chladenia pre dátové centrá.
V roku 2019 sa dátové centrá s kvapalinovým chladením používali najmä v aplikáciách reprezentovaných superpočítačmi. Keďže objemy podnikania v oblasti internetu, financií a telekomunikácií rýchlo rastú, dopyt po kvapalinovom chladení v dátových centrách v týchto odvetviach bude naďalej rásť. Očakáva sa, že do roku 2025 budú dátové centrá s kvapalinovým chladením predstavovať 24.0 % internetového priemyslu, 25,0 % finančného priemyslu a 23,0 % telekomunikačného priemyslu. Medzitým priemyselné odvetvia ako energetika, biotechnológia, zdravotníctvo a vláda zaznamenajú zrýchlenie integrácie dátových centier s kvapalinovým chladením do nového ekosystému dátových centier na všeobecné použitie s miernym poklesom celkového rozsahu. Očakáva sa, že do roku 2025 budú dátové centrá s kvapalinovým chladením predstavovať 10,5 % energetického priemyslu, 8,5 % biotechnologického priemyslu, 6,5 % zdravotníckeho priemyslu a ostatné podniky, ako napríklad vláda, klesnú na 2,5 %.

▲ Štruktúra a prognóza priemyselných aplikácií pre dátové centrá kvapalného chladenia v Číne (2019-2025)
3. Konkurenčná situácia na čínskom trhu serverov s tekutým chladením: Sugon vedie, nasledovaný Huawei, Alibaba a ďalšími
Domáci výrobcovia na čele so Sugonom nazbierali značné obchodné skúsenosti a na základe príjmov z produktov, podielu na trhu, spätnej väzby od zákazníkov a ďalších ukazovateľov je Sugon kľúčovým lídrom na trhu, tesne za ním sú Huawei, Alibaba a Lenovo. IBM Čína je v pozícii potenciálneho vyzývateľa.
Odvetvie serverov s kvapalinovým chladením v Číne má vysoké technické bariéry a tí, ktorí sa pohybujú ako prví, majú výhodu. V súčasnosti sú hlavní domáci výrobcovia stále v experimentálnej alebo počiatočnej fáze aplikácie technológie chladenia kvapalinou a konkurenčné prostredie ešte nebolo jasne definované. Okrem toho z dôvodu obáv o bezpečnosť údajov existujú v Číne určité geografické prekážky pre dodávku infraštruktúry dátových centier, čo sťažuje vstup zahraničných výrobcov na čínsky trh.

▲ Matica konkurencieschopnosti predajcov dátových centier kvapalného chladenia v Číne (2020)
4.telekomunikační operátoriNavrhnitetrojročná vízia pre kvapalinové chladenie v dátových centrách
Traja hlavní telekomunikační operátori sú ako lídri v sektore dátových centier v popredí výskumu a aplikácií technológie chladenia kvapalinou. V júni 2023 traja hlavní operátori spoločne vydali „Bielu knihu o technológii chladenia kvapalinou pre telekomunikačných operátorov (2023)“ a načrtli trojročnú víziu a plán pre aplikácie chladenia kvapalinou.
Celkovým cieľom trojročnej vízie je spojiť sily priemyslu, riešiť výzvy, budovať ekosystém a rozširovať aplikácie spojením odberateľských a nadväzujúcich sektorov v priemysle, akademickej obci a výskume. Dôraz sa bude klásť na útočenie na kľúčové kľúčové technológie s originalitou a vedúcim postavením a na úplné vybudovanie ekosystému chladenia kvapalinou na vysokej úrovni. Cieľom je vytvoriť otvorený ekosystém, podporovať oddelenie kvapalinových chladiacich skríň a serverov a viesť vytváranie zjednotených štandardov, ktoré znižujú PUE (Efektívnosť využitia energie) a zároveň dosahujú najnižšie TCO (Total Cost of Ownership). Využitím výhod z rozsahu ich cieľom je výrazne rozšíriť aplikácie.
Pokiaľ ide o časovú os implementácie, traja hlavní operátori vypracovali podrobné plány pre 2023-2025.
- 2023:Vykonávať technické overovanie, dôkladne testovať výkon chladenia kvapalinou, znižovať PUE a pripravovať technické možnosti plánovania, výstavby a údržby;
- 2024: Vykonávať testovanie vo veľkom meradle, propagovať oddelenie kvapalinových chladiacich skríň a serverov, podporovať hospodársku súťaž, rozvíjať priemyselný ekosystém a znižovať celkové náklady na životný cyklus;
- Do roku 2025:Dosiahnite rozsiahle aplikácie s technológiou chladenia kvapalinou používanou vo viac ako 50 % projektov a spoločne podporte vytvorenie jednotného, štandardizovaného, nákladovo optimálneho a široko používaného ekosystému chladenia kvapalinou. Cieľom telekomunikačného priemyslu je stať sa lídrom v technológii chladenia kvapalinou, lídrom v priemyselnom reťazci a lídrom v propagácii aplikácií.

▲ Trojročná vízia pre kvapalinové chladenie od telekomunikačných operátorov
V Záver
Veľký rozvojový potenciál v priemysle chladenia kvapalín spolu s výzvami a príležitosťami
V súčasnosti je čínsky priemysel kvapalinového chladenia v počiatočnom štádiu a miera penetrácie aplikácií chladenia kvapalinou zostáva relatívne nízka. Ako nová generácia chladiacej technológie pre dátové centrá a serverové klastre však trhový potenciál a budúce vyhliadky kvapalinového chladenia pritiahli značnú pozornosť, pričom sa očakáva rýchle zvýšenie prieniku aplikácií.
Napriek tomu priemysel kvapalného chladenia v Číne stále čelí niekoľkým výzvam v oblasti rozvoja:
1. Nezrelý priemyselný ekosystém
Hoci sa technológia chladenia kvapalinou vyvíja už viac ako desať rokov na domácej aj medzinárodnej úrovni, ekosystém zostáva neúplný. Produkty sa značne líšia a chýba štandardizácia. V súčasnosti v tomto odvetví neexistuje jednotný štandard rozhrania pre servery a skrine. Skrine a servery sú pevne prepojené a formáty produktov rôznych výrobcov, ako sú servery, chladiace kvapaliny, chladiace potrubia a systémy napájania, sa líšia, čím sú rozhrania produktov navzájom nekompatibilné. To obmedzuje hospodársku súťaž a bráni rozvoju vysokokvalitného priemyslu.
2. Vyvíjajúca sa architektúra kvapalinového chladiaceho systému
Architektúry systémov chladenia kvapalinou v priemysle sa líšia, s rozdielmi medzi distribuovaným a centralizovaným chladením a nastaveniami napájania. Servery niektorých výrobcov sa vyvinuli na vysokoteplotné servery, ktoré umožňujú redukciu jednotiek chladiča vody, ďalej zjednodušujú architektúru zdroja chladenia a podporujú znižovanie nákladov a efektivitu.
3. Vysoké náklady na kvapalinové chladiace systémy
V porovnaní s tradičnými produktmi chladenia vzduchom predstavuje kvapalinové chladenie stále výzvy z hľadiska vysokých počiatočných investícií a celkových nákladov na životný cyklus. Tento problém by mohol ovplyvniť rozsiahle prijatie a propagáciu produktov chladenia kvapalinou v počiatočných štádiách.
