Исследования в области жидкостного охлаждения серверов

 

IDC — типичная отрасль с высоким потреблением энергии, которая сталкивается с ограничениями политики потребления энергии. Развитые регионы ввели политику ограничения потребления энергии, а потребление энергии IDC в ​​основном сосредоточено на охлаждении. Теплопотребление серверов ИИ более чем в пять раз превышает потребление обычных серверов, что требует более эффективного жидкостного охлаждения для достижения охлаждения и снижения уровней PUE.

 

Благодаря Nvidia и отечественным операторам уровень проникновения жидкостного охлаждения (холодной пластины) в серверах превысит 10% в 2024 году, войдя в стадию быстрого роста. Ожидается, что уровень проникновения внутреннего жидкостного охлаждения достигнет 30% к 2028 году, а размер рынка превысит 20 млрд юаней.

 

Самыми ценными компонентами в системе жидкостного охлаждения являются пластины и трубки жидкостного охлаждения. Предполагается, что к 2028 году внутренний рынок составит около 10 млрд юаней. Поскольку технические барьеры продукта невысоки, компании, которые выходят на рынок рано и устанавливают партнерские отношения с производителями основных микросхем и серверов, получат значительные преимущества.

 

Компании в цепочке поставок Nvidia и Huawei получат лучшие инвестиционные возможности, при этом особое внимание будет уделено Inovance Technology, Gaolan Co., Ltd., Jingyan Technology и Siquan New Materials.

 

 

Для серверов ИИ/IDC требуются системы жидкостного охлаждения

 

1) Высокое энергопотребление серверов ИИ требует жидкостного охлаждения

Стандартный сервер ЦП с размерами 4U (737 мм × 437 мм × 178 мм) обычно потребляет около 800 Вт электроэнергии, с тепловыделением около 200 Вт, что соответствует 50 Вт/U тепловой мощности на единицу пространства. Напротив, сервер ИИ, оснащенный 8 чипами GPU в том же формате размера, имеет общее энергопотребление около 5 кВт и тепловыделение около 1000 Вт, что соответствует 250 Вт/U тепловой мощности на единицу пространства, что примерно в четыре раза больше, чем у обычного сервера. Максимальная рассеиваемая мощность типичного сервера 4U с воздушным охлаждением составляет 600 Вт, что намного ниже требований к рассеиванию тепла в 1000 Вт для сервера ИИ, что делает необходимым жидкостное охлаждение.

 

▲ Потребности в теплоотводе сервера ИИ примерно в 5 раз выше, чем у обычных серверов

 

2) IDC серверов ИИ должны использовать системы жидкостного охлаждения

Чтобы поддерживать температуру в серверной комнате в диапазоне 20-25 градусов, обычный сервер IDC, использующий воздушное охлаждение, может достичь минимального PUE 1,3, что едва соответствует требованиям политики. Однако сервер IDC AI, использующий воздушное охлаждение, может достичь PUE только 1,6. Таким образом, только с помощью жидкостной системы охлаждения можно поддерживать PUE серверной комнаты ниже требуемых 1,3.

 

▲ Сравнение различных решений охлаждения

 

Согласно последним данным отраслевой цепочки, Nvidia полностью перейдет на жидкостное охлаждение, начиная с B100, и в 2024 году выпустит полностью настраиваемое решение для жидкостного охлаждения, что значительно ускорит разработку серверов с жидкостным охлаждением.

 

 

II Пластины жидкостного охлаждения/Трубы жидкостного охлаждения

 

1)Оптимизация управления температурой с помощью пластин жидкостного охлаждения

Пластины жидкостного охлаждения передают тепло от теплогенерирующих компонентов косвенно охлаждающей жидкости, циркулирующей в замкнутой системе через холодную пластину, которая обычно изготавливается из теплопроводных металлов, таких как медь или алюминий. Затем охлаждающая жидкость уносит тепло. Существует четыре основных технических требования к качеству пластин жидкостного охлаждения: во-первых, высокая охлаждающая способность; во-вторых, высокая надежность для обеспечения герметичности холодной пластины; в-третьих, точная конструкция рассеивания тепла для предотвращения больших перепадов температур в системе; и в-четвертых, строгий контроль веса холодной пластины для предотвращения значительного снижения системой охлаждения плотности энергии всей системы.

 

Пластины жидкостного охлаждения изготавливаются с использованием процессов механической обработки, что позволяет свободно проектировать внутренние размеры каналов и пути. Это делает их подходящими для продуктов терморегулирования с высокой плотностью мощности, нерегулярными схемами источников тепла и ограничениями по пространству. Они в основном применяются при проектировании охлаждающих продуктов для преобразователей ветровой энергии, фотоэлектрических инверторов, IGBT, контроллеров двигателей, лазеров, источников питания для хранения энергии, суперкомпьютерных серверов и других областей, но реже используются в системах батарей питания.

2) Жидкостное охлаждение с помощью холодной пластины является основным решением

 

 

▲ Холодные пластины и решения для иммерсионного жидкостного охлаждения

 

Существует два основных решения для жидкостного охлаждения: холодная пластина и погружение. Решение с холодной пластиной использует полую жидкостную охлаждающую пластину, прикрепленную к поверхностям ЦП и ГП. Тепло отводится охлаждающей жидкостью, протекающей внутри, что снижает PUE IDC до 1,2. Решение с погружением напрямую погружает весь сервер в специальную изолированную охлаждающую жидкость, отводя тепло посредством циркуляции жидкости. Этот метод позволяет достичь PUE менее 1,1 и в основном используется для суперкомпьютеров с чрезвычайно высокой плотностью мощности. Ожидается, что жидкостное охлаждение с холодной пластиной станет основным решением для жидкостного охлаждения в будущем, составляя более 90% использования систем жидкостного охлаждения.

 

3) Пластины и трубы жидкостного охлаждения

 

 

▲ Схема системы жидкостного охлаждения Cold Plate

 

Система жидкостного охлаждения с холодными пластинами состоит из трех основных частей: внутренняя система теплопроводности серверного корпуса (жидкостные охлаждающие пластины и трубы), внешняя система циркуляции корпуса (насосы, клапаны, трубы) и внешняя система теплообмена серверного помещения (градирни и т. д.). Среди них система теплообмена и градирни считаются обычным электромеханическим оборудованием и имеют низкую стоимость. Поэтому ценность системы жидкостного охлаждения в основном сосредоточена на жидкостных охлаждающих пластинах и трубах внутри корпуса.