Analýza technológie chladenia kvapalinou a odvodu tepla v dátových centrách AI

Generatívna AI a rôzne veľké modely nám prinášajú úplne nový aplikačný zážitok a tiež kladú vyššie nároky na výpočtový výkon. Pre manažérov prevádzky dátových centier sú vzhľadom na výrazné zvýšenie hustoty výkonu GPU serverov kladené vyššie požiadavky na chladiace zariadenia a technológie dátových centier. Preto okrem zamerania sa na samotný výpočtový výkon venujú väčšiu pozornosť aj rôznym problémom, ktoré prináša spotreba energie a chladenie dátového centra.

V dôsledku silného dopytu po výpočtovom výkone AI sa počet serverov GPU v dátových centrách výrazne zvýšil, čo vedie k čoraz väčším problémom so spotrebou energie. Vieme, že maximálny celkový výkon vzduchom chladenej samostatnej skrine v dátových centrách je 15 kW. S rovnakou rýchlosťou rozloženia sa nárast výkonu serverov GPU priblížil k limitu jednej skrinky. Spotreba GPU sa však stále neustále zvyšuje. Vzhľadom na vysokú spotrebu energie a scenáre s vysokou hustotou nie je tradičné chladenie vzduchom zjavne schopné pokryť potreby spotreby energie a rozptylu tepla. Technológia chladenia kvapalinou so svojou ultra vysokou energetickou účinnosťou a ultra vysokou hustotou tepla sa stala nevyhnutnou možnosťou pre riešenia riadenia teploty v inteligentných výpočtových centrách.

V tradičných vzduchom chladených dátových centrách je spotreba energie na chladenie zariadení a odvod tepla až 40 % a účinnosť odvodu tepla nie je vysoká. Kvôli svojim obmedzeniam je konvenčné vzduchové chladenie v dátových centrách vo všeobecnosti navrhnuté s hustotou jednej skrine 8-10 kW. Vďaka tepelnej vodivosti technológie chladenia kvapalinou, ktorá je 25-krát väčšia ako vzduch a prenáša takmer 3000-krát viac tepla ako rovnaký objem vzduchu, môže ľahko dosiahnuť hustotu jednej skrine nad 30 kW. Preto môže ušetriť veľa miesta, ďalej zlepšiť hustotu rozmiestnenia skríň v jednom dátovom centre a zlepšiť mieru využitia oblasti jednotky dátového centra.
V súčasnosti však v priemysle kvapalinového chladenia neexistuje jednotná technológia a konštrukčný štandard a v porovnaní s tradičným vzduchom chladeným chladením sú náklady na výstavbu dátových centier s kvapalinovým chladením stále príliš vysoké. Rýchly vývoj technológie chladenia kvapalinou a nedostatok jednotných technologických a konštrukčných noriem priniesli značné výzvy pre neskoršiu správu a údržbu.

V súčasnosti medzi hlavné technológie chladenia kvapalín patrí technológia nepriameho chladenia kvapalín reprezentovaná chladiacim systémom studených dosiek a technológia priameho chladenia kvapalín reprezentovaná ponorným chladiacim systémom kvapalín. V dôsledku rozdielov v dizajne odvodu tepla medzi týmito dvoma existujú aj významné rozdiely v účinnosti odvodu tepla.

Technológia nepriameho odvádzania tepla sa dosahuje kontaktom s povrchmi procesorov, pamäte, GPU, pevných diskov a iných médií, ako sú chladiace platne, pričom sa využíva prúd chladiacej kvapaliny na odvádzanie tepla. Okrem chladiacich platní a iných médií technológia nepriameho chladenia kvapalinou zahŕňa aj komponenty, ako sú výmenníky tepla, potrubia, čerpadlá, chladivo a riadiace systémy. Chladiaci systém chladiacej kvapaliny sa stal hlavným riešením technológie nepriameho chladenia kvapalín. Hlavnými výhodami technológie nepriameho kvapalinového chladenia sú to, že nevyžaduje zmenu formy existujúcich serverov, má nízku technickú náročnosť návrhu, relatívne nízku náročnosť nasadenia a relatívne nízku náročnosť neskoršej prevádzky a správy údržby. Navyše v dôsledku použitia vodného roztoku etylénglykolu ako chladiaceho média sú náklady nižšie.
Nevýhodou je relatívne nízka účinnosť odvodu tepla a vzhľadom na veľké množstvo komponentov je relatívne vyššia poruchovosť. V súčasnosti sa chladiaci systém chladiacej kvapaliny stal preferovaným riešením pre väčšinu dátových centier.

Technológia priameho chladenia kvapalinou sa vzťahuje na priamy kontakt medzi CPU, GPU, základnou doskou, pamäťou atď. a chladiacou kvapalinou, ktorá priamo preteká cez povrch hardvéru, aby absorbovala a odvádzala teplo. V súčasnosti technológia priameho chladenia kvapalinou zahŕňa systémy chladenia ponorenou kvapalinou a chladiace systémy rozprašovanej kvapaliny. Podľa toho, či chladiace médium prechádza fázovou zmenou, možno ho rozdeliť na jednofázové ponorenie a ponorenie s fázovou zmenou.
V porovnaní s technológiou nepriameho odvodu tepla technológia priameho chladenia kvapalinou nemá medzi kvapalinou a zdrojom tepla žiadne prechodné vodivé médium a teplo sa môže prenášať priamo do kvapaliny, čo vedie k vyššej účinnosti odvodu tepla. Nasadenie technológie priameho chladenia kvapalinou je však náročnejšie a nákladnejšie kvôli potrebe prerobiť a transformovať celé dátové centrum. V súčasnosti sa technológia priameho chladenia kvapalinou používa hlavne v scenároch, ktoré vyžadujú vysokú účinnosť odvádzania tepla.

V súčasnosti, keď sa chladiaci systém chladenia kvapalinou stáva vyspelejším, stane sa hlavnou technológiou chladenia kvapalinou, ktorá vstúpi do dátových centier ako prvá. Náklady, prevádzka a údržba, bezpečnosť a ďalšie otázky, ktoré ovplyvňujú popularizáciu technológie chladenia chladiacimi doskami, sa tiež vyriešia s rozvojom technológie a štandardizáciou.
S neustálym vývojom technológie sa ponorné chladiace systémy budú široko používať aj v nových dátových centrách s vysokou hustotou, čím sa ďalej zlepší účinnosť odvodu tepla dátových centier a výrazne sa zvýšia úrovne výpočtového výkonu.