Onko nestejäähdytys paras jäähdytysratkaisu tekoälypalvelimille?

 

I Perinteinen ilmajäähdytys on ylikuormitettu; Nestejäähdytystekniikka tulee esiin

 

Tekoälyn kolme pilaria ovat sirut, laskentateho ja algoritmit. Sirut ja laskentateho ovat tuottavuuden tekijöitä, ja saavuttaakseen poikkeuksellisen laskentatehon ihmiset etsivät jatkuvasti nopeampia prosessoreita ja tehokkaampia laitteistoja. Kun tekoälyn laskentateho kasvaa ja prosessorien ja grafiikkasuorittimien suorituskyky paranee, sirun virrankulutus ja lämmöntuotanto kasvavat vastaavasti. Esimerkiksi NVIDIAn H200-sarjan GPU-sirujen TDP (Thermal Design Power) on jopa 700 W.

 

Perinteisellä ilmajäähdytyksellä on rajansa. Ilmajäähdytyksen periaate on antaa ilman virrata jäähdytyselementtien pinnan yli lämmön haihduttamiseksi. Tällä hetkellä markkinoiden parhaat ilmanjäähdyttimet kestävät jopa 275 W tehoa. Perinteinen ilmajäähdytys ei enää täytä valtavirran tekoälypalvelimien jäähdytysvaatimuksia.

 

Nestejäähdytystekniikka on syntynyt. Nestejäähdytyksen periaate on kierrättää nestemäistä jäähdytysnestettä palvelimen sisällä, joka imee lämpöä lämpöä tuottavista komponenteista lämmönvaihdon kautta. Nestejäähdytys tarjoaa paremman jäähdytystehokkuuden ja mahdollistaa jäähdytysnesteen tarkan ohjauksen sopeutuakseen erilaisiin työympäristöihin, vaikka siitä aiheutuu korkeampia kustannuksia.

 

Nestejäähdytys on saanut virallisen tunnustuksen. Kesäkuussa 2023 Kiinan kolme suurta teleoperaattoria julkaisivat yhdessä "Valkoisen kirjan nestejäähdytysteknologiasta teleoperaattoreille (2023), jossa edistetään selvästi kahta teknistä reittiä: kylmälevynestejäähdytys ja yksivaiheinen upotusnestejäähdytys. He myös hahmottelivat myynninedistämissuunnitelman kohteelle 2023-2025:

 

▲ Promootiosuunnitelma kohteelle 2023-2025

 

 

II Mitä on nestejäähdytys?

 

Nestejäähdytys on jäähdytysmenetelmä, jossa nesteen avulla jäähdytysaineena siirretään konesalien IT-laitteiden sisäisten komponenttien tuottamaa lämpöä ulos, jolloin varmistetaan, että IT-laitteiden lämpöä tuottavat osat toimivat turvallisella lämpötila-alueella. Päävirran nestejäähdytysratkaisut jaetaan pääasiassa kylmälevy- ja upotustyyppeihin. Upotusnestejäähdytys voidaan jakaa edelleen vaihe- ja ei-faasi-uppojäähdytykseen sen mukaan, tapahtuuko jäähdytysnesteen vaihemuutos.

 

▲ Nestejäähdytystekniikka

 

Kylmälevynestejäähdytys toimii käyttämällä jäähdytyselementtiä, joka on valmistettu metalleista, kuten kuparista tai alumiinista, joilla on hyvä lämmönjohtavuus. Komponenttien tuottama lämpö siirtyy jäähdytyselementissä olevaan nestemäiseen jäähdytysnesteeseen, joka kuljettaa lämmön pois.

 

Upotusnestejäähdytys on suorakontaktinen nestejäähdytysmenetelmä, jossa IT-laitteet, kuten palvelimet (mukaan lukien CPU:t, muisti, I/O jne.), upotetaan kokonaan jäähdytysnesteeseen. Jäähtyminen tapahtuu nesteen kiertämisen kautta. Nopeasti kehittyvä vaihemuutos-upotusjäähdytystekniikka jäähdyttää lämpöä tuottavat komponentit, jolloin jäähdytysneste höyrystyy ja kondensoi sitten höyryn takaisin nestemäiseen muotoon uudelleenkäyttöä varten. Tämä menetelmä tarjoaa paremman jäähdytystehokkuuden ja alhaisemman melun.

 

 

III Pitäisikö kaikki palvelinjäähdytysratkaisut korvata nestejäähdytyksellä?

 

Ilmeisesti ei. Konesalien jäähdytysmenetelmiä ovat sekä pakotettu ilmajäähdytys että nestejäähdytys. Vaikka ilmajäähdytystekniikka on suhteellisen kypsä, nestejäähdytys on uudempi vaatimus, joka johtuu palvelinkeskusten lisääntyneistä jäähdytystarpeista viime vuosina.

 

Tällä hetkellä konesaleissa on pääasiassa kolme jäähdytysratkaisua:

1. Suunnittelemme uusia palvelinkeskuksia, jotka perustuvat pelkästään nestejäähdytykseen ja luomme pienempiä, tehokkaampia palvelinkeskuksia, joissa on valtava laskentateho.

2. Suunnittelemme konesaleja, jotka käyttävät pääasiassa ilmajäähdytystä, mutta sisältävät nestejäähdytysvaihtoehtoja tulevien siirtymien yksinkertaistamiseksi.

3. Palvelinkeskukset integroivat nestejäähdytyksen olemassa oleviin ilmajäähdytteisiin tiloihin ja muuttavat usein osittain ilmajäähdytysjärjestelmät nestejäähdytykseksi.

 

▲ Suositellut jäähdytysmenetelmät erityyppisille palvelinkeskuksille

 

 

 

IV Mitä haasteita nestejäähdytys kohtaa?

 

1. Kustannusongelmat

Nestejäähdytysjärjestelmien hintaan sisältyy korkeat materiaalikustannukset (jäähdytysneste, jäähdytyslevyt, putket jne.), sekä suunnittelun ja valmistuksen monimutkaisuus, korkeat asennus- ja ylläpitokustannukset sekä suurempien investointien tarve korkean luotettavuuden saavuttamiseksi.

 

2. Luotettavuusongelmat

 

Vakaus:Nestemäisen jäähdytysnesteen kemiallinen stabiilisuus voi olla riittämätön, mikä johtaa hajoamiseen, hapettumiseen tai haitallisten aineiden muodostumiseen käytön aikana, mikä vaikuttaa jäähdytystehoon ja järjestelmän vakauteen.

 

Vuoto:Nestevuotojen, putkistojen tukkeutumisen tai muiden tapahtumien sattuessa nykyiset epäsuorat nestejäähdytysjärjestelmät eivät välttämättä havaitse vikoja ajoissa, mikä vaarantaa palvelinturvallisuuden.

 

Yhteensopivuus:Jotkut konesalin laitteet eivät välttämättä sovellu nestejäähdytysjärjestelmiin, vaan ne vaativat lisämukauttamista ja -muokkauksia.

 

 

V Mitä ovat nestejäähdytyksen alku- ja loppupään teollisuudenalat?

 

Nestejäähdytysteollisuuden ekosysteemiin kuuluvat alkupään komponenttitoimittajat, keskivirran nestejäähdytteisten palvelinten toimittajat ja loppupään laskentatehon käyttäjät keskittyen kylmälevy- ja upotusnestejäähdytysjärjestelmiin.

 

▲ Kylmälevyn nestejäähdytysjärjestelmän periaate

 

▲ Upotusnestejäähdytysjärjestelmän periaate

 

 

1. Ylävirtaan

 

▲ Cold Plate -nestejäähdytysjärjestelmän ylävirtaan
 

Cold Plate -nestejäähdytysjärjestelmä koostuu pääasiassa CDU:sta, kylmälähteestä, jäähdytysnesteestä, nestejäähdytysputkista ja nestejäähdytyskaapista. Upotusnestejäähdytysjärjestelmä koostuu pääasiassa CDU:sta, kylmälähteestä, nestejäähdytysputkista, upotuskammiosta, IT-laitteista ja jäähdytysnesteestä.

 

Jäähdytysyksikkö (CDU)

CDU:ta käytetään lämmönvaihtoon toisiopuolen korkean lämpötilan jäähdytysnesteen ja primääripuolen kylmän lähteen välillä. Se tarjoaa jäähdytyksen jakelun nestejäähdytteisille IT-laitteille ja hallitsee lämpötilan, paineen ja virtauksen valvontaa. Siinä on toimintoja, kuten lämmönvaihto, kiertokäyttö, jäähdytysnesteen puhdistus ja nesteiden varastointi. CDU koostuu pääasiassa lämmönvaihtimesta/lauhduttimesta, kiertovesipumpusta, suodattimesta, nestesäiliöstä ja lisävarusteista (venttiilit, putkistot, liittimet, anturit jne.).

 

Kylmä lähde

Nestejäähdytysjärjestelmän ulkokylmälähde voidaan valita olosuhteiden mukaan kuivajäähdyttimistä, suljetuista jäähdytystorneista tai jäähdyttimistä.

 

Nestejäähdytysputket

Putket ovat välttämättömiä komponentteja, jotka yhdistävät lämmönvaihtimen kylmälevyn, jäähdytyksen jakeluyksikön, lämmönvaihtoyksikön ja ulkokylmälähteen. Yleisesti ottaen kiertoputkistot voidaan jakaa suoraliitäntätyypeihin (asynkroninen) ja silmukkaliitäntätyyppeihin (synkroninen) niiden eri kytkentätapojen perusteella.

 

Jäähdytysneste

Kylmälevyjärjestelmien yleisiä jäähdytysnesteitä ovat vesi, etyleeniglykoli, propyleeniglykoli jne. Näillä jäähdytysnesteillä on korkea ominaislämpökapasiteetti ja alhainen viskositeetti, minkä ansiosta ne imevät nopeasti laitteiden tuottaman lämmön ja siirtävät sen lämmönvaihtimeen poistumista varten.

 

Tavallisia upotusjäähdytysnesteitä (eristysaineita) ovat mineraaliöljyt, fluorihiiliyhdisteet jne. Niiden joukossa faasinmuutosjäähdytyksessä voidaan käyttää vain palamattomia fluorihiiliyhdisteitä. Jäähdytysnesteen ja eri komponenttien materiaalien yhteensopivuus on yksi avaintekijöistä, jotka vaikuttavat upotusvaiheenvaihtonestejäähdytysjärjestelmän suorituskykyyn.

 

Tällä hetkellä upotettuun vaiheenvaihtojäähdytykseen on saatavilla vain vähän fluorattuja nesteitä, ja päätoimittaja on 3M. Kiinan upotusnestejäähdytys on vielä lapsenkengissään.

 

Sinetöity kammio

Kammiota käytetään faasinmuutosnesteen säilyttämiseen. Kammio on suljettava kylmälevystä, putkistoista, liittimistä ja muista osista turvallisuuden varmistamiseksi ilman vuotoja, mikä varmistaa tehon ja signaalin siirron eheyden ja tietokeskuksen turvallisuuden. Siksi tarvitaan mukautettuja tiivistyskomponentteja, kuten kumitiivisteitä, nesteen ulostuloliittimiä, virtaliittimiä, signaaliliittimiä jne.

 

Nestejäähdytyskaappi

Nestejäähdytyskaappi koostuu pääasiassa nestejäähdytyslevystä, jakoputkesta, putkista, liittimistä, pikaliittimistä, nesteen jakajasta ja valinnaisesta kompressorista.

 

Nestejäähdytyslevy toimii lämmönsiirtoyksikkönä, joka vastaa jäähdytysjärjestelmän höyrystintä, ja on jäähdytysjärjestelmään suunniteltu avainteknologia. Se koostuu yleensä peitelevystä, ripoista, pohjalevystä ja tiivisteestä.

Jakotukki on laite, joka yhdistää jäähdytyksen jakeluyksikön nestejäähdytyspalvelimen kylmälevyyn. Tyypillisesti kaappiin rakennettu se jakaa tasaisesti jäähdytysnesteen virtauksen jokaiseen kylmälevykerrokseen ja kerää jäähdytysnesteen sen jälkeen, kun se imee lämpöä ja lähettää sen yhdysputkien kautta jäähdytyksen jakeluyksikköön.

 

Pikaliitin koostuu päärungosta ja päätyliittimestä. Päärunko on ensisijainen yksikkö nesteen pikaliittimen liitäntä- ja tiivistystoimintojen saavuttamiseksi, kun taas päätyliitin toimii asennusporttina nesteen pikaliittimen asennukseen ja kiinnittämiseen.

 

Ohjausjärjestelmä

Ohjausjärjestelmä valvoo ja säätelee jäähdytysjärjestelmän toimintaa, mukaan lukien lämpötila- ja paineanturit, jotka mittaavat lämmönpoistoa ja säätävät pumpun nopeutta tai jäähdytysnesteen virtausnopeutta.

 

Suodatus- ja puhdistuslaitteet

Suodattimia käytetään poistamaan roskat ja hiukkaset nestemäisestä jäähdytysnesteestä, mikä varmistaa järjestelmän suorituskyvyn ja pitkäikäisyyden. Menetelmät, kuten UV-sterilointi tai kemiallinen käsittely, voivat puhdistaa jäähdytysnesteen.

 

2. Keskivirta

Keskivirta koostuu pääasiassa nestejäähdytysjärjestelmistä, joissa keskeiset komponentit, kuten patterit, pumput, putket ja jäähdytysnesteet, on integroitu yhdeksi järjestelmäksi. Nämä yritykset vaativat tietyn tason teknistä asiantuntemusta ja tuotantokapasiteettia varmistaakseen tuotteiden laadun ja suorituskyvyn.

 

3. Alavirtaan

Laskentavoiman jatkokäyttäjiä ovat muun muassa datakeskukset, supertietokoneet, tekoälypalvelimet, elektroniset laitteet, uudet energiaajoneuvot, laserit, invertterit ja muut teollisuuslaitteet. Nestejäähdytystekniikkaa käytetään jopa ilmailualalla. Tehokkaiden jäähdytysominaisuuksiensa ansiosta nestejäähdytteisiä datakeskuksia ja niiden infrastruktuuria käytetään pääasiassa korkean suorituskyvyn laskenta-aloilla. Tällä hetkellä nestejäähdytysteknologiaa hyödyntäviä toimialoja ovat internet, rahoitus, tietoliikenne, energia, biologia ja terveydenhuolto.

 

Näistä Internet on nestejäähdytteisten datakeskusten ydinasiakas, jolla on merkittävä datan kysyntä, laaja käyttäjäkunta ja suuret liiketoimintavolyymit. Datakeskusten laskentatehovaatimukset ovat korkeat, ja yhden kaapin tehotiheydet ylittävät 10 kW.

 

 

VI Missä vaiheessa nestejäähdytyksen teollistaminen on?

 

Tällä hetkellä erilaisia ​​nestejäähdytteisten konesalien validointeja on pääosin saatu päätökseen, ja seuraavan kolmen vuoden aikana nestejäähdytysteknologia laajenee laajasti. Teknisellä rintamalla kylmälevyjäähdytys on edelleen markkinoiden yleisin nestejäähdytysratkaisu; Teollisen kehityksen rintamalla kokonaisvaltaisesta toimitusmallista infrastruktuurista tekoälylaitteisiin on tullut alalla yksimielisyys; asiakasrintamalla internet- ja televiestintäsektorit, kaksi suurinta datakeskusteollisuuden sovellusasiakasta, ovat osoittaneet positiivista tunnustusta nestejäähdytysteknologiasta.

 

Alan yritysten julkistaman vuoden 2023 puolivuotisraportin mukaan niiden nestejäähdytteisille datakeskuksille on kertynyt yli 260 MW kapasiteettia, ja ne kattavat useita toimialoja, kuten teknologian, energian, julkishallinnon, rahoituksen ja internetin.

 

 

VII Kuinka suuret tekoälyn nestejäähdytyksen markkinat ovat?

 

Caitong Securitiesin tietojen mukaan Kiinan nestejäähdytteisten datakeskusten markkinakoko kasvaa 6,999 miljardista juanista vuonna 2022 yli 35,877 miljardiin juaniin vuonna 2025, ja AI-palvelinkeskuksen nestejäähdytysmarkkinoiden koko kasvaa 5,552 miljardista juanista vuonna 2022. 27,964 miljardia yuania vuonna 2025, mikä vastaa 76,2 %:n vuosikasvua. Tuoteluokituksen perusteella upotusnestejäähdytystuotteiden, joilla on korkeampi jäähdytystehokkuus ja kyky vähentää tehokkaasti datakeskusten PUE (Power Usage Effectiveness) -arvoa, odotetaan kasvavan 18 prosentista vuonna 2019 (kylmän kanssa). levynestejäähdytystuotteiden osuus 82 %:sta 41 %:iin vuonna 2025.

 

Koska markkinat vaativat parempaa jäähdytystä ja energiatehokkuutta konesaliinfrastruktuurilta, teollisuus ennustaa nestejäähdytystuotteiden levinneisyysasteen nousevan 20 prosenttiin vuoteen 2025 mennessä, ja markkinaosuus kasvaa jatkuvasti. Nestejäähdytteisten AI-palvelimien laajamittaisten sovellusten kevät lähestyy hiljaa!

 

 

VIII Mitkä ovat tunnetut nestejäähdytysyritykset?

 

Merentakaisten kylmälevynestejäähdytysmarkkinoiden suurimpia toimijoita ovat IBM, CoolIT Systems, Asetek ja Motivair, kun taas upotusnestejäähdytysmarkkinoiden päätoimijat ovat GRC, LiquidStack ja Midas.