Er væskekøling den ultimative køleløsning til AI-servere?

 

I Traditionel luftkøling er overbebyrdet; Liquid Cooling Technology opstår

 

De tre søjler i AI er chips, computerkraft og algoritmer. Chips og computerkraft er produktivitetsdriverne, og for at opnå ekstraordinær computerkraft søger folk konstant hurtigere processorer og mere effektiv hardware. Efterhånden som AI-computerkraften øges, og CPU'ernes og GPU'ernes ydeevne forbedres, stiger chipstrømforbruget og varmeproduktionen tilsvarende. For eksempel har NVIDIAs H200-serie GPU-chips en TDP (Thermal Design Power) på op til 700W.

 

Traditionel luftkøling har sine begrænsninger. Princippet for luftkøling er at lade luft strømme over overfladen af ​​køleplader for at aflede varme. I øjeblikket kan de bedste luftkølere på markedet klare op til 275W effekt. Traditionel luftkøling kan ikke længere opfylde kølekravene på almindelige AI-servere.

 

Væskekølingsteknologi er dukket op. Princippet for væskekøling er at cirkulere en flydende kølevæske inde i serveren og absorbere varme fra de varmegenererende komponenter gennem termisk udveksling. Væskekøling giver højere køleeffektivitet og tillader præcis kontrol af kølevæsken for at tilpasse sig forskellige arbejdsmiljøer, selvom det kommer med højere omkostninger.

 

Væskekøling har fået officiel anerkendelse. I juni 2023 udgav Kinas tre store teleoperatører i fællesskab "White Paper on Liquid Cooling Technology for Telecom Operators (2023)", der tydeligt promoverede to tekniske ruter: koldpladevæskekøling og enfaset nedsænkningsvæskekøling. De skitserede også en kampagneplan for 2023-2025:

 

▲ En kampagneplan for 2023-2025

 

 

II Hvad er væskekøling?

 

Væskekøling er en kølemetode, der bruger væske som kølemiddel til at overføre varmen, der genereres af de interne komponenter i it-udstyr i datacentre, til det fri, hvilket sikrer, at de varmegenererende dele af it-udstyr fungerer inden for et sikkert temperaturområde. De almindelige flydende køleløsninger er hovedsageligt opdelt i koldplade- og nedsænkningstyper. Nedsænkningsvæskekøling kan yderligere opdeles i faseskiftende og ikke-faseskiftende dynkøling, afhængig af om kølevæsken gennemgår et faseskift.

 

▲ Væskekøleteknologi

 

Kold plade væskekøling fungerer ved at bruge en køleplade lavet af metaller som kobber eller aluminium, som har god varmeledningsevne. Den varme, der genereres af komponenter, overføres til den flydende kølevæske i kølepladen, som derefter fører varmen væk.

 

Nedsænkningsvæskekøling er en væskekølingsmetode med direkte kontakt, hvor it-udstyr, såsom servere (inklusive CPU'er, hukommelse, I/O osv.), er helt nedsænket i kølevæsken. Afkøling sker gennem væskens cirkulation. Faseskiftende nedsænkningskøleteknologi, som udvikler sig hurtigt, virker ved at afkøle de varmegenererende komponenter, få kølevæsken til at fordampe og derefter kondensere dampen tilbage til flydende form til genbrug. Denne metode giver højere køleeffektivitet og lavere støj.

 

 

III Skal alle serverkølingsløsninger udskiftes med væskekøling?

 

Åbenbart ikke. Datacenterkølingsmetoder omfatter både tvungen luftkøling og væskekøling. Mens luftkølingsteknologi er relativt moden, er væskekøling et nyere krav drevet af datacentres øgede kølebehov i de seneste år.

 

I øjeblikket har datacentre primært tre køleløsninger:

1. Design af nye datacentre, der udelukkende er afhængige af væskekøling, hvilket skaber mindre, mere effektive datacentre med massiv computerkraft.

2. Design af datacentre, der primært bruger luftkøling, men som inkluderer væskekølingsmuligheder for at forenkle fremtidige overgange.

3. Datacenteroperatører, der integrerer væskekøling i eksisterende luftkølede faciliteter, ofte delvist omdanner luftkølesystemer til væskekøling.

 

▲ Anbefalede kølemetoder til forskellige typer datacentre

 

 

 

IV Hvilke udfordringer står væskekøling over for?

 

1. Omkostningsspørgsmål

Omkostningerne til flydende kølesystemer inkluderer høje materialeomkostninger (kølevæske, køleplader, rør osv.), samt kompleksiteten af ​​design og fremstilling, høje installations- og vedligeholdelsesomkostninger og behovet for højere investeringer for at opnå høj pålidelighed.

 

2. Pålidelighedsproblemer

 

Stabilitet:Den flydende kølevæskes kemiske stabilitet kan være utilstrækkelig, hvilket fører til nedbrydning, oxidation eller produktion af skadelige stoffer under brug, hvilket påvirker køleeffekten og systemets stabilitet.

 

Lækage:I tilfælde af væskelækager, rørledningsblokeringer eller andre hændelser kan eksisterende indirekte væskekølesystemer muligvis ikke opdage fejl i tide, hvilket kompromitterer serversikkerheden.

 

Kompatibilitet:Noget datacenterudstyr er muligvis ikke egnet til væskekølesystemer, hvilket kræver yderligere tilpasning og modifikation.

 

 

V Hvad er upstream- og downstream-industrien inden for væskekøling?

 

Væskekøleindustriens økosystem omfatter opstrøms komponentleverandører, midstream væskekølede serverudbydere og downstream computerkraftbrugere med fokus på koldplade og nedsænkningsvæskekølesystemer.

 

▲ Cold Plate Liquid Cooling System Princip

 

▲ Nedsænkningsvæskekølesystemprincip

 

 

1. Opstrøms

 

▲ Opstrøms for Cold Plate Liquid Cooling System
 

Cold Plate Liquid Cooling System er hovedsageligt sammensat af CDU, kold kilde, kølevæske, væskekølingsrørledninger og væskekøleskab. Nedsænkningsvæskekølesystemet består hovedsageligt af CDU, koldkilde, væskekølerørledninger, dykkammer, IT-udstyr og kølevæske.

 

Køledistributionsenhed (CDU)

CDU'en bruges til varmeudveksling mellem højtemperaturkølevæsken på sekundærsiden og koldkilden på primærsiden, hvilket giver kølefordeling til væskekølet it-udstyr og styrer temperatur-, tryk- og flowovervågning. Den har funktioner som varmeveksling, cirkulationsdrift, kølevæskerensning og væskeopbevaring. CDU'en består hovedsageligt af en varmeveksler/kondensator, cirkulationspumpe, filter, væskelagertank og tilbehør (ventiler, rørledninger, konnektorer, sensorer osv.).

 

Kold kilde

Den udendørs kuldekilde til væskekølesystemet kan vælges baseret på forhold fra tørre kølere, lukkede køletårne ​​eller kølere.

 

Rørledninger til væskekøling

Rørledninger er nødvendige komponenter, der forbinder varmevekslerens koldplade, kølefordelingsenheden, varmevekslerenheden og den udendørs kuldekilde. Generelt kan cirkulationsrørledningerne opdeles i direkte forbindelse (asynkron) og sløjfeforbindelse (synkron) baseret på deres forskellige tilslutningsmetoder.

 

Kølevæske

Almindelige kølemidler til koldpladesystemer omfatter vand, ethylenglycol, propylenglycol osv. Disse kølemidler har høj specifik varmekapacitet og lav viskositet, hvilket gør det muligt for dem hurtigt at absorbere den varme, der genereres af udstyret og overføre den til varmeveksleren for afledning.

 

Almindelige nedsænkningskølemidler (isolerende) omfatter mineralolie, fluorcarbonforbindelser osv. Blandt dem kan faseskiftkøling kun bruge ikke-brændbare fluorcarbonforbindelser. Kompatibiliteten mellem kølemediet og materialerne i de forskellige komponenter er en af ​​de nøglefaktorer, der påvirker ydeevnen af ​​væskekølesystemet med nedsænkning af faseskift.

 

I øjeblikket er der få typer fluorholdige væsker til rådighed til nedsænkning af faseskiftkøling, hvor hovedleverandøren er 3M. Kinas nedsænkningsvæskekøling er stadig i sin vorden.

 

Forseglet Kammer

Kammeret bruges til at indeholde faseskiftekølevæsken. Kammeret skal være forseglet ved den kolde plade, rørledninger, konnektorer og andre dele for at sikre sikkerhed uden lækage, og derved sikre integriteten af ​​strøm- og signaltransmission og datacentrets sikkerhed. Derfor kræves brugerdefinerede tætningskomponenter, såsom gummipakninger, væskeudtagsstik, strømstik, signalstik osv.

 

Væskekøleskab

Væskekøleskabet består hovedsageligt af en væskekøleplade, manifold, rørledninger, stik, lynkoblinger, væskefordeler og valgfri kompressor.

 

Væskekølepladen fungerer som en varmeoverførselsenhed, svarende til fordamperen i et kølesystem, og er en nøgleteknologi designet til kølesystemet. Den består generelt af en dækplade, finner, bundplade og tætning.

Manifolden er en enhed, der forbinder kølefordelingsenheden til væskekøleserverens kolde plade. Typisk indbygget i kabinettet fordeler det kølevæskestrømmen jævnt til hvert koldpladelag og opsamler kølevæsken, efter at den har absorberet varme, og sender den gennem forbindelsesrør til kølefordelingsenheden.

 

Hurtigforbindelsen består af en hoveddel og en endeterminal. Hoveddelen er den primære enhed til opnåelse af væskehurtigkoblingens tilslutnings- og tætningsfunktioner, mens endeterminalen tjener som installationsport til montering og sikring af væskehurtigkoblingen.

 

Kontrolsystem

Styresystemet overvåger og regulerer driften af ​​kølesystemet, inklusive temperatur- og tryksensorer, som måler varmeafgivelsen og justerer pumpehastigheden eller kølevæskens flowhastighed.

 

Filtrerings- og rensningsanordninger

Filtre bruges til at fjerne snavs og partikler fra den flydende kølevæske, hvilket sikrer systemets ydeevne og levetid. Metoder som UV-sterilisering eller kemisk behandling kan rense kølevæsken.

 

2. Midstream

Midtstrømmen består primært af væskekølesystemer, hvor nøglekomponenter som radiatorer, pumper, rør og kølemidler er integreret i et enkelt system. Disse virksomheder kræver et vist niveau af teknisk ekspertise og produktionskapacitet for at sikre produktkvalitet og ydeevne.

 

3. Nedstrøms

Downstream-brugere af computerkraft omfatter datacentre, supercomputere, AI-servere, elektroniske enheder, nye energikøretøjer, lasere, invertere og andet industrielt udstyr. Væskekølingsteknologi bruges endda i rumfartsområdet. På grund af dets højeffektive køleegenskaber anvendes væskekølede datacentre og deres infrastruktur hovedsageligt i højtydende computerområder. I øjeblikket omfatter industrier, der bruger flydende køleteknologi, internettet, finans, telekommunikation, energi, biologi og sundhedspleje.

 

Blandt disse er internettet kernekunden af ​​væskekølede datacentre med betydelig dataefterspørgsel, en bred brugerbase og store forretningsvolumener. Kravene til computerkraft til datacentre er høje, med effekttætheder i et enkelt kabinet på mere end 10 kW.

 

 

VI På hvilket stadium er industrialiseringen af ​​væskekøling?

 

I øjeblikket er forskellige valideringer af væskekølede datacentre for det meste gennemført, og de næste tre år vil se en udvidelse af væskekøleteknologien i stor skala. På den tekniske front er koldpladekøling fortsat den almindelige væskekølingsløsning på markedet; På den industrielle udviklingsfront er fuld-stack leveringsmodellen, fra infrastruktur til AI-udstyr, blevet en konsensus i industrien; På kundefronten har internet- og telekommunikationssektoren, de to største applikationskunder i datacenterindustrien, vist positiv anerkendelse af væskekølingsteknologi.

 

Ifølge den halvårlige rapport for 2023, der blev offentliggjort af relevante industrivirksomheder, har deres væskekølede datacentre akkumuleret over 260 MW kapacitet, der involverer flere industrier såsom teknologi, energi, regering, finans og internettet.

 

 

VII Hvor stort er markedet for AI Liquid Cooling?

 

Ifølge data fra Caitong Securities vil markedsstørrelsen af ​​Kinas væskekølede datacentre vokse fra 6,999 milliarder yuan i 2022 til over 35,877 milliarder yuan i 2025, hvor AI-datacentrets flydende køling-markedsstørrelse stiger fra 5,552 milliarder yuan i 2022 til 27,964 milliarder yuan i 2025, hvilket repræsenterer en sammensat årlig vækstrate på 76,2%. Baseret på produktklassificering forventes nedsænkede flydende køleprodukter med deres højere køleeffektivitet og evnen til effektivt at reducere PUE (Power Usage Effectiveness) af datacentre at vinde en større markedsandel, der vokser fra 18 % i 2019 (med kulde) pladevæskekøleprodukter tegner sig for 82 %) til 41 % i 2025.

 

Da markedet efterspørger højere køling og energieffektivitet til datacenterinfrastruktur, forudser industrien, at penetrationshastigheden for flydende køleprodukter vil nå op på 20 % i 2025, med markedsandele, der løbende udvides. Foråret med store applikationer til AI væskekølede servere nærmer sig stille og roligt!

 

 

VIII Hvad er de velkendte væskekølingsvirksomheder?

 

De største aktører på det oversøiske marked for væskekøling med kold plade inkluderer IBM, CoolIT Systems, Asetek og Motivair, mens hovedaktørerne på markedet for nedsænkning af væskekøling er GRC, LiquidStack og Midas.