Forskning på væskekjølingsindustrien for servere

 

IDC er en typisk industri med høyt energiforbruk og står overfor politiske begrensninger for energiforbruk. Utviklede regioner har innført retningslinjer for restriksjoner på energiforbruk, og energiforbruket til IDC er hovedsakelig konsentrert om kjøling. Det termiske strømforbruket til AI-servere er mer enn fem ganger det for vanlige servere, og krever mer effektiv væskekjøling for å oppnå kjøling og redusere PUE-nivåer.

 

Drevet av Nvidia og innenlandske operatører, vil penetrasjonshastigheten for væskekjøling (kald plate) i servere overstige 10 % i 2024, og går inn i et raskt vekststadium. Det forventes at den innenlandske penetrasjonshastigheten for væskekjøling vil nå 30 % innen 2028, med en markedsstørrelse på over 20 milliarder RMB.

 

De mest verdifulle komponentene i et væskekjølesystem er væskekjøleplatene og rørene. Det er anslått at hjemmemarkedet vil være rundt 10 milliarder RMB innen 2028. Siden produktets tekniske barrierer ikke er høye, vil selskaper som går tidlig inn i markedet og etablerer partnerskap med produsenter av kjernebrikke og servere ha betydelige fordeler.

 

Selskaper i forsyningskjeden til Nvidia og Huawei vil ha bedre investeringsmuligheter, med spesiell oppmerksomhet til Inovance Technology, Gaolan Co., Ltd., Jingyan Technology og Siquan New Materials.

 

 

I AI-servere/IDCer krever flytende kjølesystemer

 

1) Høyt strømforbruk for AI-servere krever væskekjøling

En standard CPU-server med dimensjoner på 4U (737mm × 437mm × 178mm) bruker vanligvis rundt 800W strøm, med en varmeeffekt på omtrent 200W, tilsvarende 50W/U varmeeffekt per plassenhet. I motsetning til dette har en AI-server utstyrt med 8 GPU-brikker i samme størrelsesformat et totalt strømforbruk på ca. 5KW og varmeeffekt på rundt 1000W, tilsvarende 250W/U varmeeffekt per plassenhet, som er omtrent fire ganger så stor som en vanlig server. Maksimal effekttap for en typisk 4U luftkjølt server er 600W, langt under 1000W varmespredningskravene til en AI-server, noe som gjør væskekjøling nødvendig.

 

▲ AI-serverens varmeavledningsbehov er omtrent 5 ganger høyere enn vanlige servere

 

2) AI Server IDCs må bruke flytende kjølesystemer

For å opprettholde serverens romtemperatur mellom 20-25 grader, kan en generell server-IDC som bruker luftkjøling oppnå en minimum PUE på 1,3, og oppfyller knapt policykravene. En AI-server IDC som bruker luftkjøling kan imidlertid bare oppnå en PUE på 1,6. Derfor, bare ved å bruke et væskekjølingssystem, kan PUE-verdien til serverrommet holdes under nødvendig 1.3.

 

▲ Sammenligning av ulike kjøleløsninger

 

I følge den siste industrikjedeinformasjonen, vil Nvidia fullt ut ta i bruk væskekjøling fra og med B100 og vil lansere en fullt tilpasset væskekjølingsløsning i 2024, noe som akselererer utviklingen av væskekjølte servere betydelig.

 

 

II Væskekjøleplater/Væskekjølerør

 

1)Optimalisering av termisk styring med flytende kjøleplater

Flytende kjøleplater overfører varmen fra varmegenererende komponenter indirekte til kjølevæsken som sirkulerer i et lukket sløyfesystem via kaldplaten, som vanligvis er laget av termisk ledende metaller som kobber eller aluminium. Kjølevæsken frakter så varmen bort. Det er fire sentrale tekniske krav til kvaliteten på flytende kjøleplater: for det første høy kjølekapasitet; andre, høy pålitelighet for å sikre den kalde platens forsegling; tredje, presis varmeavledningsdesign for å unngå store temperaturforskjeller i systemet; og for det fjerde, streng kontroll av vekten av den kalde platen for å forhindre at kjølesystemet reduserer energitettheten til det totale systemet betydelig.

 

Væskekjøleplater produseres ved hjelp av maskineringsprosesser, slik at de indre kanaldimensjonene og banene kan utformes fritt. Dette gjør dem egnet for termiske styringsprodukter med høy effekttetthet, uregelmessig varmekildeoppsett og plassbegrensninger. De brukes hovedsakelig i utformingen av kjøleprodukter for vindkraftomformere, fotovoltaiske vekselrettere, IGBT-er, motorkontrollere, lasere, energilagringsstrømforsyninger, superdatabehandlingsservere og andre felt, men er sjeldnere brukt i strømbatterisystemer.

2) Væskekjøling med kald plate er hovedløsningen

 

 

▲ Kaldplate og nedsenkingsvæskekjøleløsninger

 

Det er to hovedløsninger for flytende kjøling: kald plate og nedsenking. Kaldplateløsningen bruker en hul væskekjøleplate festet til CPU- og GPU-overflatene. Varmen blir ført bort av kjølevæsken som strømmer inn, og reduserer IDCs PUE til 1,2. Nedsenkingsløsningen senker hele serveren direkte i en spesiell isolert kjølevæske, og fjerner varme gjennom sirkulasjonen av væsken. Denne metoden kan oppnå en PUE på mindre enn 1,1 og brukes hovedsakelig for superdatamaskiner med ekstremt høy effekttetthet. Det forventes at væskekjøling med kald plate vil bli den vanlige væskekjøleløsningen i fremtiden, og utgjøre mer enn 90 % av bruken av væskekjølesystemet.

 

3) Væskekjøleplater og væskekjølerør

 

 

▲ Skjematisk av kjølesystemet for væskekjøling for kald plate

 

Et væskekjølesystem for kald plate består av tre hoveddeler: det interne varmeledningssystemet til serverchassiset (væskekjøleplater og rør), det eksterne sirkulasjonssystemet til chassiset (pumper, ventiler, rør) og det eksterne varmevekslersystemet av serverrommet (kjøletårn osv.). Blant disse regnes varmevekslersystemet og kjøletårnene som vanlig elektromekanisk utstyr og har lav verdi. Derfor er verdien av væskekjølesystemet hovedsakelig konsentrert om væskekjøleplatene og rørene inne i chassiset.