Ali je tekoče hlajenje najboljša rešitev za hlajenje strežnikov z umetno inteligenco?

 

I Tradicionalno zračno hlajenje je preobremenjeno; Pojavlja se tehnologija tekočega hlajenja

 

Trije stebri umetne inteligence so čipi, računalniška moč in algoritmi. Čipi in računalniška moč so gonila produktivnosti in ljudje nenehno iščejo hitrejše procesorje in učinkovitejšo strojno opremo, da bi dosegli izjemno računalniško moč. Ko se računalniška moč umetne inteligence povečuje in se zmogljivost CPE-jev in GPE-jev izboljšuje, se ustrezno povečata poraba energije čipov in proizvodnja toplote. NVIDIA-ini čipi GPU serije H200 imajo na primer TDP (Thermal Design Power) do 700 W.

 

Tradicionalno zračno hlajenje ima svoje meje. Načelo zračnega hlajenja je omogočiti pretok zraka po površini hladilnih teles, da se toplota odvaja. Trenutno najboljši hladilniki zraka na trgu zmorejo do 275 W moči. Tradicionalno zračno hlajenje ne more več izpolnjevati zahtev po hlajenju običajnih strežnikov z umetno inteligenco.

 

Pojavila se je tehnologija tekočega hlajenja. Načelo tekočega hlajenja je kroženje tekočega hladilnega sredstva znotraj strežnika, ki absorbira toploto iz komponent, ki proizvajajo toploto, prek toplotne izmenjave. Tekočinsko hlajenje ponuja večjo učinkovitost hlajenja in omogoča natančen nadzor hladilne tekočine za prilagajanje različnim delovnim okoljem, čeprav prinaša višje stroške.

 

Tekočinsko hlajenje je dobilo uradno priznanje. Junija 2023 so trije veliki kitajski telekomunikacijski operaterji skupaj izdali »Belo knjigo o tehnologiji tekočinskega hlajenja za telekomunikacijske operaterje (2023)«, ki jasno promovira dve tehnični poti: hladilno hlajenje s tekočino s hladno ploščo in enofazno potopno tekočinsko hlajenje. Opisali so tudi načrt promocije za 2023-2025:

 

▲ Načrt promocije za 2023-2025

 

 

II Kaj je tekoče hlajenje?

 

Tekočinsko hlajenje je metoda hlajenja, ki uporablja tekočino kot hladilno sredstvo za prenos toplote, ki jo ustvarijo notranje komponente opreme IT v podatkovnih centrih, navzven, s čimer se zagotovi, da deli opreme IT, ki proizvajajo toploto, delujejo v varnem temperaturnem območju. Glavne rešitve za tekoče hlajenje so v glavnem razdeljene na hladne plošče in potopne vrste. Potopno tekočinsko hlajenje lahko nadalje razdelimo na fazno in fazno potopno hlajenje, odvisno od tega, ali je hladilno sredstvo podvrženo fazni spremembi.

 

▲ Tehnologija tekočega hlajenja

 

Tekočinsko hlajenje s hladno ploščo deluje z uporabo hladilnega telesa iz kovin, kot sta baker ali aluminij, ki imata dobro toplotno prevodnost. Toplota, ki jo ustvarijo komponente, se prenese na tekoče hladilno sredstvo znotraj hladilnega telesa, ki nato odvaja toploto.

 

Potopno tekočinsko hlajenje je metoda hlajenja s tekočino v neposrednem stiku, kjer je oprema IT, kot so strežniki (vključno s procesorji, pomnilnikom, V/I itd.), popolnoma potopljena v hladilno tekočino. Hlajenje poteka zaradi kroženja tekočine. Tehnologija potopnega hlajenja s spreminjanjem faz, ki se hitro razvija, deluje tako, da ohlaja komponente, ki proizvajajo toploto, zaradi česar hladilno sredstvo izhlapi, nato pa pare kondenzira nazaj v tekočo obliko za ponovno uporabo. Ta metoda nudi večjo učinkovitost hlajenja in nižji hrup.

 

 

III Ali je treba vse rešitve za hlajenje strežnikov zamenjati s tekočim hlajenjem?

 

Očitno ne. Metode hlajenja podatkovnega centra vključujejo prisilno hlajenje z zrakom in hlajenje s tekočino. Medtem ko je tehnologija zračnega hlajenja razmeroma zrela, je tekočinsko hlajenje novejša zahteva, ki jo poganjajo povečane potrebe podatkovnih centrov po hlajenju v zadnjih letih.

 

Trenutno imajo podatkovni centri predvsem tri rešitve za hlajenje:

1. Oblikovanje novih podatkovnih centrov, ki se zanašajo izključno na tekočinsko hlajenje, ustvarjanje manjših, učinkovitejših podatkovnih centrov z ogromno računalniško močjo.

2. Oblikovanje podatkovnih centrov, ki uporabljajo predvsem zračno hlajenje, vendar vključujejo možnosti hlajenja s tekočino za poenostavitev prihodnjih prehodov.

3. Operaterji podatkovnih centrov integrirajo tekočinsko hlajenje v obstoječe zračno hlajene objekte, pri čemer sisteme zračnega hlajenja pogosto delno spremenijo v tekočinsko.

 

▲ Priporočene metode hlajenja za različne vrste podatkovnih centrov

 

 

 

IV S kakšnimi izzivi se sooča tekoče hlajenje?

 

1. Težave s stroški

Stroški sistemov za hlajenje s tekočino vključujejo visoke materialne stroške (hladilna tekočina, hladilna telesa, cevi itd.), pa tudi kompleksnost načrtovanja in izdelave, visoke stroške namestitve in vzdrževanja ter potrebo po višjih naložbah za doseganje visoke zanesljivosti.

 

2. Težave z zanesljivostjo

 

Stabilnost:Kemijska stabilnost tekoče hladilne tekočine je lahko nezadostna, kar povzroči degradacijo, oksidacijo ali nastajanje škodljivih snovi med uporabo, kar vpliva na hladilni učinek in stabilnost sistema.

 

Puščanje:V primeru puščanja tekočine, zamašitev cevovoda ali drugih incidentov obstoječi posredni sistemi za hlajenje s tekočino morda ne bodo pravočasno odkrili napak, kar bo ogrozilo varnost strežnika.

 

Združljivost:Nekatera oprema podatkovnih centrov morda ni primerna za sisteme tekočega hlajenja, zato je potrebna dodatna prilagoditev in modifikacija.

 

 

V Katere so zgornje in nadaljnje industrije v tekočem hlajenju?

 

Industrijski ekosistem za tekoče hlajenje vključuje dobavitelje komponent v zgornjem toku, ponudnike strežnikov s tekočinskim hlajenjem v srednjem toku in uporabnike računalniške moči na nižji stopnji, s poudarkom na sistemih za hladno ploščo in potopnih sistemih za hlajenje s tekočino.

 

▲ Načelo tekočega hladilnega sistema s hladno ploščo

 

▲ Načelo potopnega tekočinskega hladilnega sistema

 

 

1. Gorvodno

 

▲ Pred sistemom za hlajenje s tekočino Cold Plate
 

Sistem za hlajenje s tekočino Cold Plate je v glavnem sestavljen iz CDU, vira hladu, hladilne tekočine, cevovodov za hlajenje s tekočino in omarice za hlajenje s tekočino. Potopni sistem za hlajenje s tekočino je v glavnem sestavljen iz CDU, hladilnega vira, cevovodov za hlajenje s tekočino, potopne komore, IT opreme in hladilne tekočine.

 

Hladilna razdelilna enota (CDU)

CDU se uporablja za izmenjavo toplote med visokotemperaturnim hladilnim sredstvom na sekundarni strani in virom hladu na primarni strani, zagotavlja distribucijo hlajenja za tekočinsko hlajeno opremo IT in upravlja temperaturo, tlak in spremljanje pretoka. Ima funkcije, kot so izmenjava toplote, kroženje, čiščenje hladilne tekočine in shranjevanje tekočine. CDU je v glavnem sestavljen iz toplotnega izmenjevalnika/kondenzatorja, obtočne črpalke, filtra, rezervoarja za shranjevanje tekočine in dodatkov (ventili, cevovodi, priključki, senzorji itd.).

 

Hladni vir

Zunanji vir hladu sistema za tekoče hlajenje je mogoče izbrati na podlagi pogojev iz suhih hladilnikov, zaprtih hladilnih stolpov ali hladilnikov.

 

Cevovodi za hlajenje s tekočino

Cevovodi so nujne komponente, ki povezujejo hladilno ploščo za izmenjavo toplote, hladilno distribucijsko enoto, enoto za izmenjavo toplote in zunanji vir hladu. Na splošno lahko obtočne cevovode razdelimo na vrste neposredne povezave (asinhrone) in vrste povezave z zanko (sinhrone) glede na njihove različne načine povezovanja.

 

Hladilno sredstvo

Običajna hladilna sredstva za sisteme s hladnimi ploščami vključujejo vodo, etilen glikol, propilen glikol itd. Ta hladilna sredstva imajo visoko specifično toplotno kapaciteto in nizko viskoznost, kar jim omogoča, da hitro absorbirajo toploto, ki jo ustvari oprema, in jo prenesejo v izmenjevalnik toplote za odvajanje.

 

Običajna potopna hladilna sredstva (izolacijska) vključujejo mineralno olje, fluoroogljikove spojine itd. Med njimi lahko hlajenje s spremembo faze uporablja samo nevnetljive fluoroogljikove spojine. Združljivost med hladilnim sredstvom in materiali različnih komponent je eden od ključnih dejavnikov, ki vpliva na delovanje potopnega sistema za tekoče hlajenje s fazno menjavo.

 

Trenutno je na voljo le nekaj vrst fluoriranih tekočin za potopno fazno hlajenje, glavni dobavitelj pa je 3M. Kitajsko potopno tekočinsko hlajenje je še vedno v povojih.

 

Zaprta komora

Komora se uporablja za shranjevanje hladilne tekočine s spreminjanjem faz. Komora mora biti zatesnjena pri hladni plošči, cevovodih, priključkih in drugih delih, da se zagotovi varnost brez puščanja, s čimer se zagotovi celovitost prenosa moči in signala ter varnost podatkovnega centra. Zato so potrebne tesnilne komponente po meri, kot so gumijasta tesnila, konektorji za odvod tekočine, napajalni konektorji, signalni konektorji itd.

 

Omara s tekočinskim hlajenjem

Omara za hlajenje s tekočino je v glavnem sestavljena iz plošče za hlajenje s tekočino, razdelilnika, cevovodov, konektorjev, hitrih konektorjev, razdelilnika tekočine in neobveznega kompresorja.

 

Plošča za hlajenje s tekočino deluje kot enota za prenos toplote, enakovredna uparjalniku v hladilnem sistemu, in je ključna tehnologija, zasnovana za hladilni sistem. Na splošno je sestavljen iz pokrivne plošče, reber, osnovne plošče in tesnila.

Razdelilnik je naprava, ki povezuje hladilno razdelilno enoto s hladno ploščo strežnika za hlajenje tekočine. Običajno je vgrajen v ohišje in enakomerno porazdeli pretok hladilne tekočine na vsako plast hladne plošče in zbira hladilno tekočino, potem ko absorbira toploto, ter jo pošlje skozi povezovalne cevi v hladilno distribucijsko enoto.

 

Hitri priključek je sestavljen iz glavnega ohišja in končnega priključka. Glavno ohišje je primarna enota za doseganje funkcij povezave in tesnjenja tekočega hitrega priključka, medtem ko končni terminal služi kot namestitvena vrata za namestitev in pritrditev tekočega hitrega priključka.

 

Nadzorni sistem

Nadzorni sistem nadzira in uravnava delovanje hladilnega sistema, vključno s senzorji temperature in tlaka, ki merijo odvajanje toplote in prilagajajo hitrost črpalke ali pretok hladilne tekočine.

 

Naprave za filtriranje in čiščenje

Filtri se uporabljajo za odstranjevanje umazanije in delcev iz tekoče hladilne tekočine, kar zagotavlja učinkovitost in dolgo življenjsko dobo sistema. Metode, kot sta UV-sterilizacija ali kemična obdelava, lahko očistijo hladilno tekočino.

 

2. Srednji tok

Srednji tok je sestavljen predvsem iz sistemov za hlajenje s tekočino, kjer so ključne komponente, kot so radiatorji, črpalke, cevi in ​​hladilne tekočine, integrirane v en sam sistem. Ta podjetja zahtevajo določeno raven tehničnega znanja in proizvodnih zmogljivosti, da zagotovijo kakovost in učinkovitost izdelkov.

 

3. Dolvodno

Nadaljnji uporabniki računalniške moči vključujejo podatkovne centre, superračunalnike, strežnike AI, elektronske naprave, nova energetska vozila, laserje, inverterje in drugo industrijsko opremo. Tehnologija tekočega hlajenja se uporablja celo v letalstvu. Zaradi svojih visoko učinkovitih hladilnih lastnosti se tekočinsko hlajeni podatkovni centri in njihova infrastruktura uporabljajo predvsem na visoko zmogljivih računalniških področjih. Trenutno industrije, ki uporabljajo tehnologijo tekočega hlajenja, vključujejo internet, finance, telekomunikacije, energetiko, biologijo in zdravstvo.

 

Med njimi je internet osrednja stranka tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov z velikim povpraševanjem po podatkih, široko uporabniško bazo in velikim obsegom poslovanja. Zahteve po računalniški moči za podatkovne centre so visoke, pri čemer gostota moči posamezne omare presega 10 kW.

 

 

VI Na kateri stopnji je industrializacija tekočinskega hlajenja?

 

Trenutno so različne validacije podatkovnih centrov s tekočinskim hlajenjem večinoma zaključene, v naslednjih treh letih pa bo tehnologija hlajenja s tekočino v velikem obsegu. Na tehničnem področju hlajenje s hladno ploščo ostaja glavna rešitev za hlajenje s tekočino na trgu; na področju industrijskega razvoja je model dostave celotnega sklada, od infrastrukture do opreme z umetno inteligenco, postal konsenz v industriji; na sprednji strani strank sta internet in telekomunikacijski sektor, dva največja kupca aplikacij v industriji podatkovnih centrov, izkazala pozitivno priznanje tehnologiji tekočega hlajenja.

 

V skladu s polletnim poročilom za leto 2023, ki so ga razkrila ustrezna industrijska podjetja, so njihovi tekočinsko hlajeni podatkovni centri zbrali več kot 260 MW zmogljivosti, ki vključujejo več industrij, kot so tehnologija, energija, vlada, finance in internet.

 

 

VII. Kako velik je trg za AI tekoče hlajenje?

 

Po podatkih družbe Caitong Securities bo velikost trga kitajskih tekočinsko hlajenih podatkovnih centrov narasla s 6,999 milijarde juanov leta 2022 na več kot 35,877 milijarde juanov leta 2025, pri čemer se bo velikost trga podatkovnih centrov AI s tekočinskim hlajenjem povečala s 5,552 milijarde juanov leta 2022 na 27,964 milijarde juanov leta 2025, kar predstavlja skupno letno stopnjo rasti 76,2 %. Na podlagi razvrstitve izdelkov se pričakuje, da bodo izdelki za potopno tekočinsko hlajenje s svojo večjo učinkovitostjo hlajenja in zmožnostjo učinkovitega zmanjšanja PUE (učinkovitost porabe energije) podatkovnih centrov zajeli večji tržni delež, ki se bo povečal z 18 % v letu 2019 (s hladno izdelki za tekoče hlajenje plošč, ki predstavljajo 82 %) do 41 % leta 2025.

 

Ker trg zahteva višje hlajenje in energetsko učinkovitost za infrastrukturo podatkovnih centrov, industrija napoveduje, da bo stopnja prodora izdelkov za tekoče hlajenje dosegla 20 % do leta 2025, tržni delež pa se bo nenehno povečeval. Pomladni čas obsežnih aplikacij za tekočinsko hlajene strežnike z umetno inteligenco se tiho bliža!

 

 

VIII Katera so dobro znana podjetja za tekoče hlajenje?

 

Glavni igralci na čezmorskem trgu tekočega hlajenja s hladnimi ploščami so IBM, CoolIT Systems, Asetek in Motivair, medtem ko so glavni igralci na trgu potopnega tekočinskega hlajenja GRC, LiquidStack in Midas.