Il raffreddamento a liquido è la soluzione di raffreddamento definitiva per i server AI?
Aug 20, 2024
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Il raffreddamento ad aria tradizionale è sovraccarico; emerge la tecnologia del raffreddamento a liquido
I tre pilastri dell'IA sono chip, potenza di calcolo e algoritmi. Chip e potenza di calcolo sono i driver della produttività e, per ottenere una potenza di calcolo straordinaria, le persone cercano continuamente processori più veloci e hardware più efficienti. Man mano che la potenza di calcolo dell'IA aumenta e le prestazioni di CPU e GPU migliorano, il consumo energetico del chip e la generazione di calore aumentano di conseguenza. Ad esempio, i chip GPU della serie H200 di NVIDIA hanno un TDP (Thermal Design Power) fino a 700 W.
Il raffreddamento ad aria tradizionale ha i suoi limiti. Il principio del raffreddamento ad aria è quello di far scorrere l'aria sulla superficie dei dissipatori di calore per dissipare il calore. Attualmente, i migliori raffreddatori ad aria sul mercato possono gestire fino a 275 W di potenza. Il raffreddamento ad aria tradizionale non è più in grado di soddisfare i requisiti di raffreddamento dei server AI tradizionali.
È emersa la tecnologia di raffreddamento a liquido. Il principio del raffreddamento a liquido è quello di far circolare un refrigerante liquido all'interno del server, assorbendo calore dai componenti che generano calore tramite scambio termico. Il raffreddamento a liquido offre una maggiore efficienza di raffreddamento e consente un controllo preciso del refrigerante per adattarsi a diversi ambienti di lavoro, sebbene abbia costi più elevati.
Il raffreddamento a liquido ha ottenuto un riconoscimento ufficiale. A giugno 2023, i tre principali operatori di telecomunicazioni cinesi hanno pubblicato congiuntamente il "White Paper on Liquid Cooling Technology for Telecom Operators (2023)", promuovendo chiaramente due percorsi tecnici: raffreddamento a liquido a piastra fredda e raffreddamento a liquido a immersione monofase. Hanno anche delineato un piano di promozione per 2023-2025:
▲ Un piano promozionale per 2023-2025
II Che cosa è il raffreddamento a liquido?
Il raffreddamento a liquido è un metodo di raffreddamento che utilizza il liquido come refrigerante per trasferire il calore generato dai componenti interni delle apparecchiature IT nei data center all'esterno, assicurando che le parti che generano calore delle apparecchiature IT funzionino entro un intervallo di temperatura sicuro. Le principali soluzioni di raffreddamento a liquido sono principalmente divise in tipi a piastra fredda e a immersione. Il raffreddamento a liquido a immersione può essere ulteriormente suddiviso in raffreddamento a immersione a cambiamento di fase e raffreddamento a immersione senza cambiamento di fase, a seconda che il refrigerante subisca un cambiamento di fase.
▲ Tecnologia di raffreddamento a liquido
Il raffreddamento a liquido a piastra fredda funziona utilizzando un dissipatore di calore fatto di metalli come rame o alluminio, che hanno una buona conduttività termica. Il calore generato dai componenti viene trasferito al liquido refrigerante all'interno del dissipatore di calore, che poi trasporta via il calore.
Il raffreddamento a liquido a immersione è un metodo di raffreddamento a liquido a contatto diretto in cui le apparecchiature IT, come i server (inclusi CPU, memoria, I/O, ecc.), sono completamente immerse nel liquido di raffreddamento. Il raffreddamento avviene tramite la circolazione del liquido. La tecnologia di raffreddamento a immersione a cambiamento di fase, che si sta sviluppando rapidamente, funziona raffreddando i componenti che generano calore, facendo evaporare il refrigerante e quindi condensando il vapore nuovamente in forma liquida per il riutilizzo. Questo metodo offre una maggiore efficienza di raffreddamento e un rumore inferiore.
III Tutte le soluzioni di raffreddamento dei server dovrebbero essere sostituite con il raffreddamento a liquido?
Ovviamente no. I metodi di raffreddamento dei data center includono sia il raffreddamento ad aria forzata che il raffreddamento a liquido. Mentre la tecnologia di raffreddamento ad aria è relativamente matura, il raffreddamento a liquido è un requisito più recente, guidato dalle crescenti esigenze di raffreddamento dei data center negli ultimi anni.
Attualmente, i data center dispongono principalmente di tre soluzioni di raffreddamento:
1. Progettare nuovi data center basati esclusivamente sul raffreddamento a liquido, creando data center più piccoli e più efficienti, dotati di un'enorme potenza di calcolo.
2. Progettare data center che utilizzano principalmente il raffreddamento ad aria, ma includono opzioni di raffreddamento a liquido per semplificare le transizioni future.
3. Gli operatori di data center integrano il raffreddamento a liquido in strutture esistenti raffreddate ad aria, spesso convertendo parzialmente i sistemi di raffreddamento ad aria in sistemi di raffreddamento a liquido.
▲ Metodi di raffreddamento consigliati per diversi tipi di data center
IV Quali sfide deve affrontare il raffreddamento a liquido?
1. Problemi di costi
Il costo dei sistemi di raffreddamento a liquido comprende gli elevati costi dei materiali (refrigerante, dissipatori di calore, tubazioni, ecc.), nonché la complessità della progettazione e della produzione, gli elevati costi di installazione e manutenzione e la necessità di investimenti maggiori per ottenere un'elevata affidabilità.
2. Problemi di affidabilità
Stabilità:La stabilità chimica del liquido refrigerante potrebbe essere insufficiente, provocando degradazione, ossidazione o produzione di sostanze nocive durante l'uso, compromettendo l'effetto di raffreddamento e la stabilità del sistema.
Perdita:In caso di perdite di liquido, blocchi delle condutture o altri incidenti, gli attuali sistemi di raffreddamento a liquido indiretto potrebbero non riuscire a rilevare tempestivamente i guasti, compromettendo la sicurezza del server.
Compatibilità:Alcune apparecchiature dei data center potrebbero non essere adatte ai sistemi di raffreddamento a liquido, richiedendo quindi ulteriori adattamenti e modifiche.
V Quali sono i settori a monte e a valle del raffreddamento a liquido?
L'ecosistema del settore del raffreddamento a liquido comprende fornitori di componenti a monte, fornitori di server raffreddati a liquido a metà percorso e utilizzatori di potenza di elaborazione a valle, con particolare attenzione ai sistemi di raffreddamento a liquido a piastra fredda e a immersione.
▲ Principio del sistema di raffreddamento a liquido a piastra fredda
▲ Principio del sistema di raffreddamento a liquido ad immersione
1. A monte
▲ A monte del sistema di raffreddamento a liquido a piastra fredda
Il sistema di raffreddamento a liquido Cold Plate è composto principalmente da CDU, sorgente fredda, refrigerante, tubazioni di raffreddamento a liquido e cabinet di raffreddamento a liquido. Il sistema di raffreddamento a liquido a immersione è composto principalmente da CDU, sorgente fredda, tubazioni di raffreddamento a liquido, camera di immersione, apparecchiature IT e refrigerante.
Unità di distribuzione del raffreddamento (CDU)
La CDU è utilizzata per lo scambio termico tra il refrigerante ad alta temperatura sul lato secondario e la sorgente fredda sul lato primario, fornendo la distribuzione del raffreddamento per le apparecchiature IT raffreddate a liquido e gestendo il monitoraggio di temperatura, pressione e flusso. Ha funzioni quali scambio termico, azionamento della circolazione, purificazione del refrigerante e stoccaggio del liquido. La CDU è composta principalmente da uno scambiatore di calore/condensatore, pompa di circolazione, filtro, serbatoio di stoccaggio del liquido e accessori (valvole, tubazioni, connettori, sensori, ecc.).
Fonte fredda
La fonte di freddo esterna del sistema di raffreddamento a liquido può essere selezionata in base alle condizioni, tra raffreddatori a secco, torri di raffreddamento chiuse o refrigeratori.
Condotte di raffreddamento a liquido
Le condotte sono componenti necessari che collegano la piastra fredda di scambio termico, l'unità di distribuzione del raffreddamento, l'unità di scambio termico e la sorgente fredda esterna. In genere, le condotte di circolazione possono essere divise in tipi di collegamento diretto (asincrono) e collegamento ad anello (sincrono) in base ai loro diversi metodi di collegamento.
Refrigerante
I refrigeranti più comuni per i sistemi a piastra fredda includono acqua, glicole etilenico, glicole propilenico, ecc. Questi refrigeranti hanno un'elevata capacità termica specifica e una bassa viscosità, il che consente loro di assorbire rapidamente il calore generato dall'apparecchiatura e di trasferirlo allo scambiatore di calore per la dissipazione.
I refrigeranti a immersione comuni (isolanti) includono olio minerale, composti di fluorocarbonio, ecc. Tra questi, il raffreddamento a cambiamento di fase può utilizzare solo composti di fluorocarbonio non infiammabili. La compatibilità tra il mezzo refrigerante e i materiali dei vari componenti è uno dei fattori chiave che influenzano le prestazioni del sistema di raffreddamento a liquido a cambiamento di fase a immersione.
Attualmente, sono disponibili pochi tipi di liquidi fluorurati per il raffreddamento a cambiamento di fase a immersione, il cui fornitore principale è 3M. Il raffreddamento a liquido a immersione in Cina è ancora agli inizi.
Camera sigillata
La camera è utilizzata per contenere il refrigerante a cambiamento di fase. La camera deve essere sigillata a livello della piastra fredda, delle tubazioni, dei connettori e di altre parti per garantire la sicurezza senza perdite, assicurando così l'integrità della trasmissione di potenza e segnale e la sicurezza del data center. Pertanto, sono richiesti componenti di tenuta personalizzati, come guarnizioni in gomma, connettori di uscita del liquido, connettori di potenza, connettori di segnale, ecc.
Armadio di raffreddamento a liquido
Il cabinet di raffreddamento a liquido è costituito principalmente da una piastra di raffreddamento a liquido, un collettore, tubazioni, connettori, connettori rapidi, distributore di liquido e un compressore opzionale.
La piastra di raffreddamento a liquido funge da unità di trasferimento di calore, equivalente all'evaporatore in un sistema di refrigerazione, ed è una tecnologia chiave progettata per il sistema di refrigerazione. In genere è composta da una piastra di copertura, alette, piastra di base e guarnizione.
Il collettore è un dispositivo che collega l'unità di distribuzione del raffreddamento alla piastra fredda del server di raffreddamento a liquido. Solitamente integrato nell'armadio, distribuisce uniformemente il flusso di refrigerante a ogni strato della piastra fredda e raccoglie il refrigerante dopo che ha assorbito calore, inviandolo attraverso tubi di collegamento all'unità di distribuzione del raffreddamento.
Il connettore rapido è composto da un corpo principale e da un terminale terminale. Il corpo principale è l'unità primaria per realizzare le funzioni di collegamento e tenuta del connettore rapido per liquidi, mentre il terminale terminale funge da porta di installazione per il montaggio e il fissaggio del connettore rapido per liquidi.
Sistema di controllo
Il sistema di controllo monitora e regola il funzionamento del sistema di raffreddamento, compresi i sensori di temperatura e pressione, che misurano la dissipazione del calore e regolano la velocità della pompa o la portata del refrigerante.
Dispositivi di filtrazione e purificazione
I filtri vengono utilizzati per rimuovere detriti e particelle dal refrigerante liquido, assicurando le prestazioni e la longevità del sistema. Metodi come la sterilizzazione UV o il trattamento chimico possono purificare il refrigerante.
2. A metà strada
Il midstream è costituito principalmente da sistemi di raffreddamento a liquido, in cui componenti chiave come radiatori, pompe, tubi e refrigeranti sono integrati in un unico sistema. Queste aziende richiedono un certo livello di competenza tecnica e capacità produttiva per garantire la qualità e le prestazioni del prodotto.
3. A valle
Gli utenti a valle della potenza di calcolo includono data center, supercomputer, server AI, dispositivi elettronici, nuovi veicoli energetici, laser, inverter e altre apparecchiature industriali. La tecnologia di raffreddamento a liquido è persino utilizzata nel settore aerospaziale. Grazie alle sue caratteristiche di raffreddamento ad alta efficienza, i data center raffreddati a liquido e la loro infrastruttura sono principalmente applicati nei campi del calcolo ad alte prestazioni. Attualmente, i settori che utilizzano la tecnologia di raffreddamento a liquido includono Internet, finanza, telecomunicazioni, energia, biologia e assistenza sanitaria.
Tra questi, Internet è il cliente principale dei data center raffreddati a liquido, con una domanda di dati significativa, un'ampia base di utenti e grandi volumi di business. I requisiti di potenza di elaborazione per i data center sono elevati, con densità di potenza per singolo cabinet superiori a 10 kW.
VI A che punto è l'industrializzazione del raffreddamento a liquido?
Attualmente, sono state per lo più completate varie convalide di data center raffreddati a liquido e nei prossimi tre anni si assisterà all'espansione della tecnologia di raffreddamento a liquido su larga scala. Sul fronte tecnico, il raffreddamento a piastra fredda rimane la soluzione di raffreddamento a liquido più diffusa sul mercato; sul fronte dello sviluppo industriale, il modello di fornitura full-stack, dall'infrastruttura alle apparecchiature AI, è diventato un consenso nel settore; sul fronte dei clienti, i settori Internet e delle telecomunicazioni, i due maggiori clienti delle applicazioni del settore dei data center, hanno mostrato un riconoscimento positivo della tecnologia di raffreddamento a liquido.
Secondo il rapporto semestrale del 2023 diffuso dalle aziende del settore, i loro data center raffreddati a liquido hanno accumulato oltre 260 MW di capacità, coinvolgendo diversi settori quali tecnologia, energia, pubblica amministrazione, finanza e Internet.
VII Quanto è grande il mercato del raffreddamento a liquido AI?
Secondo i dati di Caitong Securities, le dimensioni del mercato dei data center raffreddati a liquido in Cina cresceranno da 6,999 miliardi di yuan nel 2022 a oltre 35,877 miliardi di yuan nel 2025, con le dimensioni del mercato del raffreddamento a liquido dei data center AI in aumento da 5,552 miliardi di yuan nel 2022 a 27,964 miliardi di yuan nel 2025, rappresentando un tasso di crescita annuale composto del 76,2%. In base alla classificazione del prodotto, si prevede che i prodotti di raffreddamento a liquido a immersione, con la loro maggiore efficienza di raffreddamento e la capacità di ridurre efficacemente il PUE (Power Usage Effectiveness) dei data center, acquisiranno una quota di mercato maggiore, crescendo dal 18% nel 2019 (con i prodotti di raffreddamento a liquido a piastra fredda che rappresentano l'82%) al 41% nel 2025.
Poiché il mercato richiede un raffreddamento più elevato e un'efficienza energetica maggiore per l'infrastruttura del data center, il settore prevede che il tasso di penetrazione dei prodotti di raffreddamento a liquido raggiungerà il 20% entro il 2025, con una quota di mercato in continua espansione. La primavera delle applicazioni su larga scala per i server AI raffreddati a liquido si sta avvicinando silenziosamente!
VIII Quali sono le aziende di raffreddamento a liquido più note?
I principali attori del mercato estero del raffreddamento a liquido con piastra fredda includono IBM, CoolIT Systems, Asetek e Motivair, mentre i principali attori del mercato del raffreddamento a liquido a immersione sono GRC, LiquidStack e Midas.