Punti chiave del raffreddamento a liquido nell'evoluzione e applicazioni pratiche della potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale

 

 

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo di tecnologie come l’intelligenza artificiale, i big data e i modelli di grandi dimensioni, la domanda di un raffreddamento efficiente è in costante aumento. La tecnologia del raffreddamento a liquido ha guadagnato ampia attenzione e applicazione. Molte aziende rinomate hanno investito nella ricerca e nell'applicazione della tecnologia di raffreddamento a liquido, guidandone l'innovazione e lo sviluppo continui. L’applicazione della tecnologia di raffreddamento a liquido si sta gradualmente espandendo anche in settori quali la comunicazione 5G e l’edge computing, fornendo un forte supporto alla loro crescita.

 

Secondo le agenzie di ricerche di mercato, si prevede che il mercato globale del raffreddamento a liquido manterrà una rapida crescita nei prossimi anni, raggiungendo miliardi di dollari entro il 2025. Anche nel mercato cinese, l’applicazione della tecnologia del raffreddamento a liquido sta gradualmente aumentando e le dimensioni del mercato sono in aumento. dovrebbe raddoppiare nei prossimi anni.

 

 

I Evoluzione della potenza di calcolo e del raffreddamento

 

Nell’evoluzione della potenza di calcolo, il raffreddamento gioca un ruolo fondamentale. Ogni importante passo avanti nella potenza di calcolo è stato spesso accompagnato da miglioramenti nella tecnologia di raffreddamento. All’inizio, il raffreddamento ad aria era il metodo principale, utilizzando ventole per spostare l’aria e dissipare il calore. Questo è un metodo di raffreddamento più tradizionale e comune.

 

Con l’aumento della potenza di calcolo e della generazione di calore, è emersa una tecnologia di raffreddamento a tubi di calore più efficiente. I tubi di calore trasferiscono il calore attraverso l'evaporazione e la condensazione di un fluido di lavoro, offrendo una buona conduttività termica. La tecnologia di raffreddamento a liquido è gradualmente diventata famosa, assorbendo e trasferendo efficacemente il calore attraverso il liquido circolante, fornendo una maggiore efficienza rispetto al raffreddamento ad aria. Poiché le richieste di elaborazione in sistemi eterogenei, HPC e IA continuano a crescere, l’importanza del raffreddamento a liquido sta diventando sempre più evidente.

 

▲ Dietro l'evoluzione della tecnologia di raffreddamento c'è la continua ltrazione della tecnologia dei chip

 

Il packaging avanzato è diventato un percorso cruciale per estendere la Legge di Moore man mano che i processi dei semiconduttori si avvicinano ai limiti fisici. Oltre a ridurre le dimensioni dei dispositivi attraverso tecnologie di processo, sviluppando nuovi materiali e migliorando le strutture dei circuiti per aumentare la densità dei transistor, anche il cambiamento dei metodi di confezionamento per aumentare la capacità dei circuiti integrati è una direzione importante. In scenari come il packaging multi-chip 2.5D e 3D, che migliorano le prestazioni del sistema, il raffreddamento a liquido diventa indispensabile nelle soluzioni di raffreddamento ad alta efficienza poiché la potenza del sistema e la densità di calore aumentano nelle strutture di rete di calcolo.

 

Poiché l’addestramento e l’inferenza dell’intelligenza artificiale ricostruiscono le architetture di rete di calcolo, il tasso di crescita dei parametri del modello di grandi dimensioni è significativamente più veloce di quello della memoria della GPU. I sistemi ad alta integrazione, memoria di grandi dimensioni e multi-GPU sono più adatti per l'addestramento e l'inferenza di modelli di grandi dimensioni. Con la densità dei chip notevolmente aumentata nei cabinet AIDC, l'evoluzione dal raffreddamento tradizionale all'efficiente raffreddamento a liquido è inevitabile.

 

▲ Armadi AIDC

 

 

II Scenari applicativi e tecnologia del raffreddamento a liquido

 

A livello di chip, quando il consumo energetico tipico di un chip supera i 300 W, è necessario il raffreddamento a liquido per garantire il rilascio della potenza di calcolo. A livello di sistema, la potenza dei server AI è aumentata dal livello di 10 kW a decine di kW per armadio, creando l’urgente necessità di penetrazione del raffreddamento a liquido. A livello di data center, l'unico modo per ridurre il PUE IDC da oltre 1,5 a 1,2 è adottare il raffreddamento a liquido.

 

Attualmente, le principali soluzioni di raffreddamento a liquido in Cina includono i tipi di piastra fredda, immersione e spray, di cui la piastra fredda è la più utilizzata.

 

 

▲ Tipi di piastra fredda, immersione e spray

 

▲ Piastra fredda, immersione a cambio di fase, immersione monofase e raffreddamento a spruzzo

 

Con l’aumento delle richieste di prestazioni informatiche, la tecnologia di raffreddamento a liquido sta svolgendo un ruolo cruciale nei seguenti scenari applicativi chiave:

1. Data Center:Raffreddamento di server e altre apparecchiature IT per migliorare l'efficienza energetica e ridurre i costi operativi.

2. Supercomputer:Gestire attività informatiche su larga scala per garantire prestazioni elevate e stabilità.

3. Intelligenza artificiale:Formazione ed esecuzione di modelli di deep learning per accelerare il calcolo.

4. Dispositivi medici:Mantenere apparecchiature come le macchine per risonanza magnetica alla temperatura operativa.

5. Produzione industriale:Raffreddamento delle apparecchiature di lavorazione per migliorare l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto.

6. Veicolo elettrico:Raffreddamento dei pacchi batteria per prolungare la durata della batteria e migliorare la sicurezza.

7. Aerospaziale:Elettronica di raffreddamento e componenti del motore.

8. Ricerca:Raffreddamento di varie apparecchiature sperimentali.

9. Computer da gioco:Fornire soluzioni di raffreddamento ad alte prestazioni.

10. Mining di criptovaluta:Mantenere il funzionamento efficiente delle attrezzature minerarie.

 

 

III Tendenze di sviluppo nella tecnologia del raffreddamento a liquido

 

Nel contesto del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni, i vantaggi della tecnologia di raffreddamento a liquido stanno gradualmente diventando evidenti e stanno emergendo diverse nuove tendenze:

1. Maggiore efficienza:Miglioramento continuo dell'efficienza di raffreddamento per soddisfare le crescenti esigenze informatiche.

2. Consumo energetico inferiore:Riduzione del consumo energetico attraverso design e materiali ottimizzati.

3. Applicazioni più ampie:Espansione a più campi come la comunicazione 5G e l’edge computing.

4. Gestione intelligente:Raggiungere il monitoraggio e la gestione intelligenti dei sistemi di raffreddamento a liquido.

5. Sostenibilità ambientale:Utilizzo di liquidi refrigeranti e materiali rispettosi dell'ambiente.

6. Progettazione integrata:Integrazione con altre tecnologie per migliorare le prestazioni complessive del sistema.

7. Riduzione dei costi:Ridurre i costi man mano che la tecnologia matura e si espande.

8. Affidabilità migliorata:Miglioramento dell'affidabilità e della stabilità complessive dei sistemi di raffreddamento a liquido.

9. Soluzioni personalizzate:Fornitura di soluzioni di raffreddamento a liquido personalizzate per diversi scenari applicativi.

10. Recupero del calore:Esplorare il riutilizzo del calore generato dai sistemi di raffreddamento a liquido.

 

 

IV Caratteristiche e scenari applicativi delle comuni tecnologie di raffreddamento a liquido

 

▲ Caratteristiche e scenari applicativi delle comuni tecnologie di raffreddamento a liquido

 

 

V Il limite della potenza di calcolo è l'elettricità

 

Parlando di "East Data West Computation", poiché IDC/AIDC sono industrie ad alto consumo energetico, abbinare la potenza di calcolo con l'elettricità è un'esigenza pratica. Secondo Omdia 2020, il consumo globale di elettricità dei data center rappresenta il 2% del consumo elettrico totale della società.

 

Il PUE è uno standard importante per valutare la fattibilità economica e il consumo energetico dei progetti IDC. "East Data West Computation" richiede livelli PUE del data center superiori agli standard attuali (generalmente richiedono un PUE intorno a 1,2 per i progetti nazionali). Il fulcro per raggiungere gli obiettivi di risparmio energetico risiede nelle apparecchiature di controllo della temperatura a risparmio energetico. "East Data West Computation" indica un aumento significativo del livello di potenza di calcolo complessivo della Cina e la domanda di supporto per il raffreddamento del controllo della temperatura e le apparecchiature per il risparmio energetico aumenteranno di pari passo.

 

PUE=IDC consumo energetico totale/consumo energetico delle apparecchiature IT

 

Consumo energetico delle apparecchiature IT=potenza nominale per armadio × numero di armadi alimentati × 24 ore × numero di giorni all'anno × fattore di carico

 

 

VI Migliorare l'economia del raffreddamento a liquido

 

Analizzando la struttura dei costi dell’AIDC, la penetrazione del raffreddamento a liquido ha già dimostrato una fattibilità economica, grazie alla densità di potenza piuttosto che semplicemente al costo del raffreddamento a liquido.

 

Dal punto di vista del Capex:i costi di costruzione (costo dello spazio), distribuzione dell'energia (capacità di potenza) e costi delle apparecchiature di gestione termica (raffreddamento ad aria o raffreddamento a liquido) costituiscono la maggior parte dell'investimento iniziale (senza considerare le apparecchiature ICT, quota di costo > 50%).

 

Dal punto di vista Opex:l'elettricità e l'ammortamento rappresentano i principali costi operativi correnti (la quota dei costi può superare l'80%).

 

Il fattore fondamentale nel misurare gli aspetti economici del raffreddamento a liquido risiede nel risparmio energetico ottenuto attraverso l’ottimizzazione del PUE, nell’aumento della densità e nella capacità di questi di compensare l’ulteriore investimento iniziale nelle apparecchiature.

 

 

▲ Metodo per migliorare l'economia del raffreddamento a liquido

 

 

VII Il quadro logico dell'economia del raffreddamento a liquido

 

Nell'IDC tradizionale i costi di costruzione, la costruzione, la distribuzione dell'energia e l'aria condizionata sono i fattori principali che influiscono sulla fattibilità economica del progetto. Con l’aumento della densità di potenza degli armadi, l’influenza delle Capex per le apparecchiature elettriche e delle Opex annuali per l’elettricità nel modello di business IDC è cresciuta in modo significativo.

 

 ▲ Il quadro logico dell'economia del raffreddamento a liquido

 

 

VIII Raffreddamento a liquido per la potenza di calcolo

 

Analogamente al sistema di potenza di calcolo dell’intelligenza artificiale, anche il funzionamento efficiente e stabile dei sistemi di accumulo dell’energia richiede condizioni rigorose di temperatura e umidità. La temperatura influisce direttamente sulla capacità della batteria e sul degrado dell’efficienza ed è direttamente correlata agli incidenti di instabilità termica. Attualmente, le principali tecnologie di raffreddamento per lo stoccaggio dell’energia includono il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido, il raffreddamento a tubi di calore e il raffreddamento a cambiamento di fase. Il raffreddamento ad aria e a liquido è la corrente principale del settore.

Secondo China Energy Storage Network, il costo delle batterie nei sistemi di accumulo dell'energia rappresenta circa il 55%, il PCS rappresenta circa il 20%, BMS ed EMS combinati rappresentano circa l'11% e il costo della gestione termica varia tra 2-4 % a seconda della tecnologia di raffreddamento scelta.

 

Con la costruzione di stazioni di stoccaggio energetico di grande capacità e ad alta densità, come nuove centrali elettriche e sistemi di stoccaggio off-grid, promosse da grandi gruppi energetici e grandi integratori di sistemi, la penetrazione del raffreddamento a liquido nello stoccaggio energetico è in aumento. L’espansione del controllo della temperatura di accumulo dell’energia dal controllo della temperatura di precisione IDC, dal controllo della temperatura industriale e dal controllo della temperatura dei veicoli a nuova energia suggerisce possibili sviluppi futuri.

 

▲ Sistemi di accumulo dell'energia

 

La concentrazione a valle del settore del controllo della temperatura per lo stoccaggio dell’energia è elevata, con un forte potere contrattuale e leva negoziale. Una volta stabilita la qualificazione dell’offerta, il rapporto resta stabile, rendendo importanti i vantaggi del first mover. La certificazione dei principali chip AI e dei produttori di terminali, insieme alle capacità di servizio, rappresentano le principali barriere all’ingresso del raffreddamento a liquido nella potenza di calcolo.

 

L’applicazione su larga scala di sistemi di raffreddamento ad aria e a liquido nello stoccaggio energetico, insieme alla rapida crescita della domanda, rende fondamentali le capacità di consegna dei prodotti e il controllo dei costi. È essenziale ridurre i costi di investimento in ICT e IDC attraverso la produzione e il controllo dei costi.

 

Con l’aumento della capacità di storage, le richieste di personalizzazione del prodotto diventano più forti. I sistemi di raffreddamento a liquido richiedono un'elevata personalizzazione in termini di numero di percorsi di flusso, portate e velocità del flusso, spingendo i clienti a scegliere produttori con capacità di co-progettazione. Il segmento dei componenti si concentra su prodotti standardizzati con variazioni prestazionali significative tra i prodotti, mentre il segmento dei sistemi si concentra su prodotti non standard, che richiedono una comprensione della tecnologia di gestione termica e una conoscenza dei sistemi ICT e IDC.

 

 

Ⅸ Come scegliere la giusta tecnologia di raffreddamento a liquido

 

La scelta della tecnologia di raffreddamento a liquido appropriata richiede la considerazione dei seguenti fattori:

 

1. Esigenze di raffreddamento:Determinare i requisiti di raffreddamento della vostra apparecchiatura o sistema. Applicazioni e dispositivi diversi hanno esigenze di raffreddamento diverse, come computer ad alte prestazioni, data center o PC da gioco, che potrebbero richiedere capacità di raffreddamento più potenti.
2. Tipo di tecnologia:Comprendere i diversi tipi di tecnologie di raffreddamento a liquido, come i tipi a piastra fredda, a immersione e a spruzzo. Ogni tecnologia ha le sue caratteristiche e ambiti di applicazione, che richiedono un'attenta selezione in base alle specifiche esigenze.
3. Costo:La tecnologia di raffreddamento a liquido comporta generalmente costi più elevati, inclusi costi di attrezzatura, installazione e manutenzione. Scegli una tecnologia adatta al tuo budget.
4. Requisiti di spazio:I sistemi di raffreddamento a liquido spesso richiedono spazio per l'installazione e il funzionamento. Considera le dimensioni e i limiti di spazio della tua attrezzatura.
5. Affidabilità e Manutenzione:Scegli tecnologie e fornitori affidabili di raffreddamento a liquido per garantire stabilità e affidabilità del sistema. Comprendere i requisiti di manutenzione del sistema per facilitare la manutenzione quotidiana e la risoluzione dei problemi.
6. Compatibilità:Assicurati che la tecnologia di raffreddamento a liquido sia compatibile con le tue apparecchiature e i tuoi componenti senza causare danni ad altre parti.
7. Prestazioni ed efficienza:Confronta le prestazioni di raffreddamento e l'efficienza delle diverse tecnologie di raffreddamento a liquido e scegli quella che soddisfa le tue esigenze.
8. Considerazioni ambientali e di sicurezza:Considerare l'impatto ambientale e la sicurezza della tecnologia di raffreddamento a liquido, optando per refrigeranti rispettosi dell'ambiente, non tossici e non infiammabili.
9. Supporto tecnico e servizi:Scegli un fornitore che offra un buon supporto tecnico e un servizio post-vendita per risolvere tempestivamente i problemi.

 

Tenendo in considerazione tutti questi fattori, puoi scegliere la tecnologia di raffreddamento a liquido più adatta alle tue esigenze. Prima di prendere una decisione, è consigliabile consultare i fornitori professionali di tecnologia di raffreddamento a liquido per informazioni e raccomandazioni più dettagliate.

 

Con l’avanzare della tecnologia, la tecnologia del raffreddamento a liquido diventerà più matura e diffusa, con applicazioni in continua espansione. In futuro, il raffreddamento a liquido potrebbe integrarsi con l’intelligenza artificiale e l’IoT, portando a una gestione del calore più intelligente. Lo sviluppo della tecnologia di raffreddamento a liquido porterà maggiori opportunità e sfide a vari settori, richiedendo innovazione ed esplorazione continue.