Revolúcia technológie kvapalinového chladenia v dátových centrách
S inovatívnym vývojom technológií, ako je AI, cloud computing a veľké dáta, sa dátové centrá a komunikačné zariadenia ako informačná infraštruktúra venujú čoraz väčšiemu množstvu výpočtov. S rýchlym nárastom výpočtového výkonu v dátových centrách sa zvýšila hustota výkonu jednotlivých skríň, čo kladie vyššie nároky na účinnosť odvodu tepla. Na druhej strane, v rámci politiky „duálneho uhlíka“ sú dátové centrá ako „hlavní spotrebitelia energie“ povinní neustále znižovať svoje ukazovatele PUE, aby sa znížila spotreba elektrickej energie chladiaceho systému. Tradičné chladenie vzduchom však už nemôže spĺňať vyššie uvedené požiadavky na odvod tepla a objavila sa technológia chladenia kvapalinou.
Špičkový GPU dátového centra dostupný na trhu pred 10 rokmi bola NVIDIA K40 s tepelným výkonom (TDP) 235 W. Keď NVIDIA vydala A100 v roku 2020, TDP sa blížilo k 400 W a s najnovším čipom H100 sa TDP vyšplhalo na 700 W. Tepelná spotreba energie jedného vysokovýkonného AI čipu dosiahla 1000 W. Je zrejmé, že Intel vyvíja čip, ktorý môže dosiahnuť 1,5 kW. Konkurencia v oblasti umelej inteligencie sa v konečnom dôsledku scvrkáva na konkurenciu vo výpočtovom výkone a hlavnou prekážkou pre vysoko výpočtové čipy je ich schopnosť odvádzať teplo. Keď TDP čipu presiahne 1000 W, musí sa použiť technológia chladenia kvapalinou.
Technológia chladenia kvapalinou môže efektívne vyriešiť problémy nasadenia s vysokou hustotou a lokálneho prehrievania v počítačových miestnostiach, medzi ktorými má ponorné chladenie kvapaliny vynikajúce výhody v odvode tepla a úspore energie. Ponorné kvapalinové chladenie je typická metóda priameho kontaktného kvapalinového chladenia, pri ktorej sú elektronické zariadenia ponorené do chladiacej kvapaliny a vytvorené teplo sa priamo prenáša do chladiacej kvapaliny a vedie cez cirkuláciu kvapaliny. Imerzné kvapalinové chladenie možno rozdeliť do dvoch typov: jednofázové imerzné kvapalinové chladenie a Imerzné kvapalinové chladenie s fázovou zmenou, v závislosti od toho, či použitá chladiaca kvapalina prejde zmenou stavu počas chladenia elektronických zariadení. Výhodou jednofázových je, že náklady na nasadenie a náklady na chladiace médium sú nižšie a nehrozí pretečenie chladiacej kvapaliny; Výhoda fázovej zmeny spočíva v jej vyššej kapacite a limite odvodu tepla, no stále zaostáva za jednofázovým z hľadiska nákladov a technologickej vyspelosti.
Jednofázové ponorné chladenie poskytuje presvedčivé riešenie pre dátové centrá, ktoré hľadajú efektívny a spoľahlivý tepelný manažment. Pri tejto metóde sú komponenty IT úplne ponorené do špeciálne formulovanej izolačnej kvapaliny. Táto kvapalina priamo absorbuje teplo zo servera, podobne ako dvojfázové ponorné chladenie. Na rozdiel od dvojfázových systémov jednofázové chladivo nevrie ani nepodlieha fázovým prechodom. Počas celého chladiaceho procesu zostáva tekutý. Ohriata izolačná kvapalina cirkuluje cez výmenník tepla vo vnútri chladiacej distribučnej jednotky (CDU). Tento výmenník tepla prenáša tepelnú energiu do nezávislého chladiaceho média, typicky do vodného systému s uzavretým okruhom. Ochladená izolačná kvapalina sa potom prečerpá späť do ponornej nádrže, aby sa dokončil chladiaci cyklus.
V dvojfázovom ponornom chladiacom systéme sú elektronické komponenty ponorené do izolovaného teplovodivého kvapalného kúpeľa, ktorý má oveľa lepšiu tepelnú vodivosť ako vzduch, voda alebo olej. Rozdiel medzi dvojfázovým ponorným kvapalinovým chladením je v tom, že chladivo prechádza fázovým prechodom. Dráha prenosu tepla dvojfázového imerzného kvapalinového chladenia je v zásade rovnaká ako pri jednofázovom imerznom kvapalinovom chladení, s hlavným rozdielom, že chladivo na sekundárnej strane cirkuluje iba vo vnútornej oblasti imerznej komory s hornou časťou ponorná komora je plynná zóna a dno je kvapalinová zóna; IT zariadenie je úplne ponorené do kvapalného chladiva s nízkym bodom varu, ktoré absorbuje teplo zo zariadenia a vrie. Vysokoteplotné plynné chladivo vyrobené odparovaním sa vďaka svojej nízkej hustote postupne zhromažďuje v hornej časti ponornej komory a vymieňa si teplo s kondenzátorom inštalovaným v hornej časti, pričom kondenzuje na nízkoteplotné kvapalné chladivo. Potom prúdi späť do spodnej časti komory pôsobením gravitácie, čím sa dosiahne odvod tepla pre IT zariadenia.
V procese inovatívneho vývoja technológie rozptylu tepla, či už ide o čipy alebo elektronické zariadenia, sú objem, náklady na dizajn, spoľahlivosť a ďalšie aspekty produktov hraničnými hodnotami, ktorým sa podniky nemôžu vyhnúť. Aj to sú problémy, ktoré musí technológia odvodu tepla vyrovnať a vyriešiť. Rôzne kombinované technológie môžu byť použité na vývoj produktov pre rôzne materiály na odvod tepla, technológie a aplikačné scenáre s cieľom nájsť optimálne riešenie pre aktuálny vzor.
