Er væskekjøling den ultimate kjøleløsningen for AI-servere?

 

I Tradisjonell luftkjøling er overbelastet; Liquid Cooling Technology dukker opp

 

De tre pilarene i AI er brikker, datakraft og algoritmer. Brikker og datakraft er produktivitetsdriverne, og for å oppnå ekstraordinær datakraft søker folk kontinuerlig etter raskere prosessorer og mer effektiv maskinvare. Etter hvert som AI-datakraften øker og ytelsen til CPU-er og GPU-er forbedres, øker strømforbruket og varmeproduksjonen tilsvarende. For eksempel har NVIDIAs H200-serie GPU-brikker en TDP (Thermal Design Power) på opptil 700W.

 

Tradisjonell luftkjøling har sine begrensninger. Prinsippet for luftkjøling er å la luft strømme over overflaten av varmeavledere for å spre varme. For tiden kan de beste luftkjølerne på markedet håndtere opptil 275W effekt. Tradisjonell luftkjøling kan ikke lenger oppfylle kjølekravene til vanlige AI-servere.

 

Væskekjølingsteknologi har dukket opp. Prinsippet for væskekjøling er å sirkulere en flytende kjølevæske i serveren, og absorbere varme fra de varmegenererende komponentene gjennom termisk utveksling. Væskekjøling gir høyere kjøleeffektivitet og tillater presis kontroll av kjølevæsken for å tilpasse seg forskjellige arbeidsmiljøer, selv om det kommer med høyere kostnader.

 

Væskekjøling har fått offisiell anerkjennelse. I juni 2023 ga Kinas tre store telekomoperatører i fellesskap ut "White Paper on Liquid Cooling Technology for Telecom Operators (2023)," som tydelig fremmet to tekniske ruter: kaldplatevæskekjøling og enfaset nedsenkingsvæskekjøling. De skisserte også en kampanjeplan for 2023-2025:

 

▲ En kampanjeplan for 2023-2025

 

 

II Hva er væskekjøling?

 

Væskekjøling er en kjølemetode som bruker væske som kjølevæske for å overføre varmen som genereres av de interne komponentene til IT-utstyr i datasentre til utsiden, for å sikre at de varmegenererende delene av IT-utstyret fungerer innenfor et trygt temperaturområde. De vanlige flytende kjøleløsningene er hovedsakelig delt inn i kaldplate og nedsenkingstyper. Nedsenkingsvæskekjøling kan videre deles inn i faseskiftende og ikke-faseskiftende dykkkjøling, avhengig av om kjølevæsken gjennomgår et faseskifte.

 

▲ Væskekjølingsteknologi

 

Væskekjøling med kald plate fungerer ved å bruke en kjøleribbe laget av metaller som kobber eller aluminium, som har god varmeledningsevne. Varmen som genereres av komponenter overføres til den flytende kjølevæsken i kjøleribben, som deretter frakter varmen bort.

 

Nedsenkingsvæskekjøling er en væskekjølingsmetode med direkte kontakt der IT-utstyr, som servere (inkludert CPUer, minne, I/O, etc.), er helt nedsenket i kjølevæsken. Avkjøling skjer gjennom sirkulasjonen av væsken. Faseendringsteknologien for nedsenking, som utvikler seg raskt, fungerer ved å avkjøle de varmegenererende komponentene, få kjølevæsken til å fordampe, og deretter kondensere dampen tilbake til flytende form for gjenbruk. Denne metoden gir høyere kjøleeffektivitet og lavere støy.

 

 

III Bør alle serverkjøleløsninger erstattes med flytende kjøling?

 

Åpenbart ikke. Datasenterkjølingsmetoder inkluderer både tvungen luftkjøling og væskekjøling. Mens luftkjølingsteknologi er relativt moden, er væskekjøling et nyere krav drevet av de økte kjølebehovene til datasentre de siste årene.

 

For tiden har datasentre primært tre kjøleløsninger:

1. Utforming av nye datasentre som utelukkende er avhengige av væskekjøling, og skaper mindre, mer effektive datasentre med massiv datakraft.

2. Designe datasentre som primært bruker luftkjøling, men som inkluderer alternativer for væskekjøling for å forenkle fremtidige overganger.

3. Datasenteroperatører integrerer væskekjøling i eksisterende luftkjølte anlegg, ofte delvis omgjøring av luftkjølesystemer til væskekjøling.

 

▲ Anbefalte kjølemetoder for ulike typer datasentre

 

 

 

IV Hvilke utfordringer møter væskekjøling?

 

1. Kostnadsproblemer

Kostnaden for flytende kjølesystemer inkluderer høye materialkostnader (kjølevæske, kjøleribber, rør, etc.), samt kompleksiteten i design og produksjon, høye installasjons- og vedlikeholdskostnader, og behovet for høyere investeringer for å oppnå høy pålitelighet.

 

2. Pålitelighetsproblemer

 

Stabilitet:Den kjemiske stabiliteten til den flytende kjølevæsken kan være utilstrekkelig, noe som kan føre til nedbrytning, oksidasjon eller produksjon av skadelige stoffer under bruk, noe som påvirker kjøleeffekten og systemstabiliteten.

 

Lekkasje:I tilfelle væskelekkasjer, rørledningsblokkeringer eller andre hendelser, kan eksisterende indirekte væskekjølesystemer mislykkes i å oppdage feil i tide, noe som kompromitterer serversikkerheten.

 

Kompatibilitet:Noe datasenterutstyr er kanskje ikke egnet for væskekjølesystemer, og krever ekstra tilpasning og modifikasjon.

 

 

V Hva er oppstrøms- og nedstrømsindustriene innen væskekjøling?

 

Økosystemet for væskekjølingsindustrien inkluderer oppstrøms komponentleverandører, midtstrøms væskekjølte serverleverandører og nedstrøms datakraftbrukere, med fokus på kaldplate og nedsenkingsvæskekjølesystemer.

 

▲ Prinsipp for kjølesystem for flytende kjøleplater

 

▲ Prinsipp for nedsenking av væskekjølesystem

 

 

1. Oppstrøms

 

▲ Oppstrøms for Cold Plate Liquid Cooling System
 

Cold Plate Liquid Cooling System består hovedsakelig av CDU, kaldkilde, kjølevæske, væskekjølerørledninger og væskekjøleskap. Nedsenkingsvæskekjølesystemet består hovedsakelig av CDU, kaldkilde, væskekjølerørledninger, nedsenkingskammer, IT-utstyr og kjølevæske.

 

Cooling Distribution Unit (CDU)

CDU-en brukes til varmeveksling mellom høytemperaturkjølevæsken på sekundærsiden og kaldkilden på primærsiden, og gir kjølefordeling for væskekjølt IT-utstyr og overvåking av temperatur, trykk og strømning. Den har funksjoner som varmeveksling, sirkulasjonsdrift, kjølevæskerensing og væskelagring. CDU består hovedsakelig av en varmeveksler/kondensator, sirkulasjonspumpe, filter, væskelagringstank og tilbehør (ventiler, rørledninger, koblinger, sensorer, etc.).

 

Kald kilde

Den utendørs kuldekilden til væskekjølesystemet kan velges basert på forhold fra tørre kjølere, lukkede kjøletårn eller kjølere.

 

Rørledninger for væskekjøling

Rørledninger er nødvendige komponenter som forbinder varmevekslerens kaldplate, kjølefordelingsenhet, varmevekslerenhet og utendørs kaldkilde. Generelt kan sirkulasjonsrørledningene deles inn i direkte tilkobling (asynkron) og sløyfeforbindelse (synkron) basert på deres forskjellige tilkoblingsmetoder.

 

Kjølevæske

Vanlige kjølevæsker for kaldplatesystemer inkluderer vann, etylenglykol, propylenglykol, etc. Disse kjølevæskene har høy spesifikk varmekapasitet og lav viskositet, slik at de raskt kan absorbere varmen som genereres av utstyr og overføre den til varmeveksleren for avledning.

 

Vanlige nedsenkingskjølemidler (isolerende) inkluderer mineralolje, fluorkarbonforbindelser, etc. Blant dem kan faseendringskjøling bare bruke ikke-brennbare fluorkarbonforbindelser. Kompatibiliteten mellom kjølemediet og materialene til ulike komponenter er en av nøkkelfaktorene som påvirker ytelsen til nedsenkingsfaseskiftende væskekjølesystem.

 

Foreløpig er det få typer fluorholdige væsker tilgjengelig for nedsenking av faseendringskjøling, med hovedleverandøren 3M. Kinas nedsenkingsvæskekjøling er fortsatt i sin spede begynnelse.

 

Forseglet kammer

Kammeret brukes til å inneholde faseendringskjølevæsken. Kammeret må være forseglet ved den kalde platen, rørledningene, koblingene og andre deler for å sikre sikkerhet uten lekkasje, og dermed sikre integriteten til strøm- og signaloverføring og sikkerheten til datasenteret. Derfor kreves det tilpassede tetningskomponenter, som gummipakninger, væskeuttakskontakter, strømkontakter, signalkontakter, etc.

 

Væskekjøleskap

Væskekjøleskapet består hovedsakelig av en væskekjøleplate, manifold, rørledninger, koblinger, hurtigkoblinger, væskefordeler og valgfri kompressor.

 

Væskekjøleplaten fungerer som en varmeoverføringsenhet, tilsvarende fordamperen i et kjølesystem, og er en nøkkelteknologi designet for kjølesystemet. Den består vanligvis av en dekkplate, finner, bunnplate og tetning.

Manifolden er en enhet som kobler kjølefordelingsenheten til væskekjøleserverens kjøleplate. Vanligvis innebygd i skapet, fordeler den kjølevæskestrømmen jevnt til hvert kaldplatelag og samler opp kjølevæsken etter at den har absorbert varme, og sender den gjennom tilkoblingsrør til kjølefordelingsenheten.

 

Hurtigkoblingen består av en hoveddel og en endeterminal. Hoveddelen er den primære enheten for å oppnå væskehurtigkoblingens tilkoblings- og forseglingsfunksjoner, mens endeterminalen fungerer som installasjonsport for montering og sikring av væskehurtigkoblingen.

 

Kontrollsystem

Kontrollsystemet overvåker og regulerer driften av kjølesystemet, inkludert temperatur- og trykksensorer, som måler varmespredning og justerer pumpehastighet eller kjølevæskestrøm.

 

Filtrerings- og renseenheter

Filtre brukes til å fjerne rusk og partikler fra den flytende kjølevæsken, noe som sikrer systemytelse og lang levetid. Metoder som UV-sterilisering eller kjemisk behandling kan rense kjølevæsken.

 

2. Midtstrøm

Midtstrømmen består primært av væskekjølesystemer, der nøkkelkomponenter som radiatorer, pumper, rør og kjølevæsker er integrert i ett enkelt system. Disse selskapene krever et visst nivå av teknisk ekspertise og produksjonskapasitet for å sikre produktkvalitet og ytelse.

 

3. Nedstrøms

Nedstrømsbrukere av datakraft inkluderer datasentre, superdatamaskiner, AI-servere, elektroniske enheter, nye energikjøretøyer, lasere, vekselrettere og annet industrielt utstyr. Væskekjølingsteknologi brukes til og med i romfartsfeltet. På grunn av sine høyeffektive kjøleegenskaper, brukes væskekjølte datasentre og deres infrastruktur hovedsakelig i databehandlingsfelt med høy ytelse. For tiden inkluderer bransjer som bruker væskekjølingsteknologi internett, finans, telekommunikasjon, energi, biologi og helsevesen.

 

Blant disse er internett kjernekunden til væskekjølte datasentre, med betydelig dataetterspørsel, en bred brukerbase og store forretningsvolumer. Kravene til datakraft for datasentre er høye, med effekttettheter i ett skap som overstiger 10 kW.

 

 

VI På hvilket stadium er industrialiseringen av væskekjøling?

 

For tiden er ulike valideringer av væskekjølte datasentre for det meste fullført, og de neste tre årene vil vi se en utvidelse av væskekjølingsteknologi i stor skala. På den tekniske fronten er kaldplatekjøling fortsatt den vanlige væskekjølingsløsningen på markedet; på industriutviklingsfronten har fullstackleveringsmodellen, fra infrastruktur til AI-utstyr, blitt en konsensus i bransjen; På kundefronten har internett- og telekommunikasjonssektorene, de to største applikasjonskundene for datasenterindustrien, vist positiv anerkjennelse av væskekjølingsteknologi.

 

I følge halvårsrapporten for 2023 avslørt av relevante industribedrifter, har deres væskekjølte datasentre akkumulert over 260 MW kapasitet, som involverer flere bransjer som teknologi, energi, myndigheter, finans og internett.

 

 

VII Hvor stort er markedet for AI Liquid Cooling?

 

I følge data fra Caitong Securities vil markedsstørrelsen på Kinas væskekjølte datasentre vokse fra 6,999 milliarder yuan i 2022 til over 35,877 milliarder yuan i 2025, med AI-datasenterets væskekjølingsmarkedsstørrelse økende fra 5,552 milliarder yuan i 2022 til 27,964 milliarder yuan i 2025, som representerer en sammensatt årlig vekstrate på 76,2 %. Basert på produktklassifisering forventes nedsenkingsvæskekjøleprodukter, med deres høyere kjøleeffektivitet og evne til effektivt å redusere PUE (Power Usage Effectiveness) til datasentre, å ta en større markedsandel, og vokse fra 18 % i 2019 (med kulde) plate flytende kjøleprodukter står for 82 %) til 41 % i 2025.

 

Ettersom markedet krever høyere kjøling og energieffektivitet for datasenterinfrastruktur, spår industrien at penetrasjonshastigheten for flytende kjøleprodukter vil nå 20 % innen 2025, med markedsandel som øker kontinuerlig. Våren med storskalaapplikasjoner for AI væskekjølte servere nærmer seg stille og rolig!

 

 

VIII Hva er de velkjente selskapene for væskekjøling?

 

De største aktørene i det oversjøiske markedet for væskekjøling for kaldplater inkluderer IBM, CoolIT Systems, Asetek og Motivair, mens hovedaktørene i markedet for nedsenking av væskekjøling er GRC, LiquidStack og Midas.