Umělá inteligence připravuje cestu pro novou éru v průmyslu chlazení kapalin

1. Porovnání technologie chlazení a principy

Chlazení kapalinou vs chlazení vzduchem
	Chlazení vzduchem	Tekuté chlazení
Teplosměnné médium	vzduch	Kapalina
Komponenty pohonu	Fanoušek	Odstraňte ventilátory
Kapacita odvodu tepla	Obecná kapacita odvodu tepla	Dobrý odvod tepla
Úspora energie a snížení spotřeby	Hodnota PUE menší než 2	Hodnota PUE v rozmezí 1.2
Hluk	Vysoká hlučnost	Odstraňte ventilátory, nízká hlučnost
Cena konstrukce	Skříně mohou být uspořádány pouze v nízké hustotě a skříně zabírají velkou plochu počítačové místnosti, což vyžaduje tradiční přesnou klimatizaci a design horkých a studených kanálů	Může přinést design rozvržení skříně s vysokou hustotou, snížit obsazenou plochu počítačové místnosti, nízké PUE znamená menší rozsah infrastruktury napájení, distribuce a zálohování
Výběr místa	Vysoké požadavky na klima prostředí a energetické faktory	Není omezeno politikou kvality ovzduší, klimatu a energetiky, lze jej používat po celém světě

1.1 Technologie chlazení vzduchem

Schéma principů vzduchového chlazení

Technologie chlazení vzduchem je hlavní proud chladicí technologie v datových centrech. Principem odvodu tepla vzduchem chlazených radiátorů je odvádět teplo generované objektem generujícím teplo do chladiče s větší tepelnou kapacitou a plochou pro odvod tepla přes kovový chladič, který je v těsném kontaktu s objektem generujícím teplo ( u počítačů je to CPU, GPU a další polovodičové čipy) a poté použijte diverzní efekt ventilátoru, aby vzduch rychle prošel povrchem chladiče, čímž se urychlí konvekce tepla mezi chladičem a vzduchem, tedy nuceným odvodem tepla konvekcí.

1.2 Technologie chlazení kapalinou

Porovnání tří technologií chlazení kapalin
	Typ studené desky	Typ ponoru	Typ spreje
Stát	Chladicí deska vyžaduje mnoho specifikací, z nichž většinu je třeba přizpůsobit samostatně a náklady jsou poměrně vysoké	Spotřebuje více chladicí kapaliny se středními náklady	Úpravou starých serverů a skříní za účelem přidání potřebných zařízení jsou náklady relativně nízké
Udržitelnost	vynikající	chudý	Střední
Využití prostoru	Vysoký	Střední	Nejvyšší
Kompatibilita	Žádný přímý kontakt se základní deskou a čipovým modulem, materiálová kompatibilita je silná	Přímý kontakt, špatná materiálová kompatibilita	Přímý kontakt, špatná materiálová kompatibilita
Snadnost instalace	Nemění původní podobu serveru a zachovává stávající základní desku serveru, která se snadno instaluje	Mění původní strukturu základní desky serveru, je třeba ji přeinstalovat	Nemění původní podobu základní desky serveru, snadná instalace
Recyklovatelnost	Využívá dvouokruhovou smyčkovou cirkulaci k dosažení sekundárního využití chladiva a snížení provozních nákladů	Cirkuluje přes venkovní chladicí zařízení pro snížení provozních nákladů	Použijte oběhové čerpadlo k dosažení opětovného využití zdrojů a snížení provozních nákladů

Technologie kapalinového chlazení zahrnují typy studených talířů, ponorů a sprejů. Mezi nimi má technologie chlazení chladicími deskami silné aplikační výhody v oblasti údržby, využití prostoru a kompatibility; ale pokud jde o náklady, vzhledem k jeho individuálně přizpůsobenému zařízení studené desky jsou náklady na aplikaci technologie relativně vysoké. Technologie chlazení sprejovou kapalinou výrazně snižuje náklady na výstavbu infrastruktury datových center transformací starých serverů a skříní. Ve srovnání s dalšími dvěma technologiemi má sice imerzní technologie horší udržovatelnost a kompatibilitu, ale má lepší výkon ve využití prostoru a recyklovatelnosti, což snižuje spotřebu energie datových center.

Principiální schéma chladicího systému chladicí kapaliny

Chladicí kapalinové chlazení je bezkontaktní technologie kapalinového chlazení. Tato technologie nepřímo předává teplo topného zařízení chladicí kapalině uzavřené v cirkulačním potrubí přes desku chlazení kapaliny (obvykle uzavřená dutina z teplovodivých kovů, jako je měď a hliník), a odebírá teplo chladicí kapalinou. kapalný. Chladicí kapalinový chladicí systém se studenou deskou se skládá hlavně z chladicí věže, CDU, primárních a sekundárních potrubí kapalinového chlazení, chladicího média a chladicí skříně kapalin; skříň kapalinového chlazení obsahuje desku kapalinového chlazení, potrubí kapalinového chlazení v zařízení, konektory kapalin a rozdělovače kapalin.

Princip odvodu tepla chladící kapalinou:
1.Kapalinová chladicí deska je připojena k čipu;
2. Teplo čipového zařízení se přenáší na desku chlazení kapalin vedením tepla a pracovní tekutina vstupuje do studené desky pod pohon oběhového čerpadla CDU a poté absorbuje teplo v desce chlazení kapaliny prostřednictvím zvýšené konvekční výměny tepla .

Principiální schéma jednofázového ponorného kapalinového chladicího systému

Kapalinové imerzní chlazení je technologie kontaktního kapalinového chlazení. Tato technologie využívá chladivo jako teplonosné médium, zcela ponoří zařízení generující teplo do chladiva a zařízení generující teplo je v přímém kontaktu s chladivem a provádí výměnu tepla. Venkovní strana imerzního kapalinového chladicího systému zahrnuje chladicí věž, potrubní síť na primární straně a chladicí kapalinu na primární straně; vnitřní strana obsahuje CDU, ponornou dutinu, IT zařízení, potrubní síť na sekundární straně a chladicí kapalinu na sekundární straně. Během používání je IT zařízení zcela ponořeno v chladicí kapalině sekundární strany, takže chladicí kapalina sekundární strany musí používat nevodivou kapalinu, jako je minerální olej, silikonový olej, fluorovaná kapalina atd. Podle toho, zda se chladicí kapalina mění v fáze během procesu výměny tepla lze rozdělit na jednofázové ponorné kapalinové chlazení a dvoufázové ponorné kapalinové chlazení.

Mezi nimi chladicí médium na sekundární straně technologie jednofázového ponorného kapalinového chlazení jako teplonosné médium podléhá pouze změnám teploty během procesu přenosu tepla a nedochází k žádné změně fáze. Proces zcela spoléhá na citlivou změnu tepla materiálu k přenosu tepla.

Dvoufázový ponorný systém chlazení kapalinou

Při dvoufázovém imerzním kapalinovém chlazení sekundární chladivo, které slouží jako teplosměnné médium, prochází fázovou změnou během procesu přenosu tepla a předává teplo pomocí latentní změny tepla látky. Jeho cesta přenosu tepla je v zásadě stejná jako u jednofázového ponorného kapalinového chlazení. Hlavní rozdíl je v tom, že sekundární chladicí kapalina cirkuluje pouze uvnitř ponorné dutiny a horní část ponorné dutiny je plynná oblast a spodní část je oblast kapaliny: IT zařízení je zcela ponořeno v kapalné chladicí kapalině s nízkým bodem varu, a kapalná chladicí kapalina absorbuje teplo zařízení a vaří. Vysokoteplotní plynné chladivo produkované odpařováním se v důsledku své nízké hustoty postupně shromažďuje v horní části ponorné dutiny a po výměně tepla s kondenzátorem instalovaným na vršku kondenzuje na nízkoteplotní kapalné chladivo a poté proudí zpět do dno dutiny působením gravitace k dosažení odvodu tepla IT zařízení.

Principiální schéma chladicího systému sprejové kapaliny

Chlazení rozprašovací kapalinou je forma kapalinového chlazení, která přesně stříká na zařízení na úrovni čipů a přímo stříká chladicí kapalinu na zařízení generující teplo nebo na tepelně vodivé prvky, které jsou k nim připojeny gravitací nebo tlakem systému. Jedná se o kapalinový chladicí systém s přímým kontaktem. Chladicí systém postřikové kapaliny se skládá hlavně z chladicí věže, CDU, primárního a sekundárního chladicího potrubí kapaliny, chladicího média a chladicí skříně rozprašovací kapaliny; chladicí skříň postřikové kapaliny obvykle zahrnuje potrubní systém, systém distribuce kapaliny, rozprašovací modul, systém zpětného vedení kapaliny atd.

Princip chladicího systému postřikové kapaliny: chladicí kapalina chlazená v jednotce pro distribuci chladu je čerpána potrubím do vnitřku skříně postřiku; po vstupu do skříně chladicí kapalina přímo vstupuje do zařízení pro distribuci kapaliny odpovídající serveru přes rozdělovač kapaliny nebo je chladicí kapalina přepravována do vstupní nádrže kapaliny, aby poskytla pevné množství gravitační potenciální energie k pohonu chladicí kapaliny, aby rozstřikovala kapalinou distribuční zařízení; chladicí kapalina je rozstřikována a ochlazována zařízením generujícím teplo v IT zařízení nebo k němu připojeným tepelně vodivým materiálem; ohřátá chladicí kapalina bude shromažďována přes vratnou nádrž a čerpána do jednotky pro distribuci chladu pro další chladicí cyklus.

1.3 Vývoj metod chlazení ve výkonu stojanu

Diagram vývoje metod chlazení

Výkon jedné skříně překračuje práh vzduchového chlazení a kapalinové chlazení je obecným trendem. Podle white paper technologie Vertiv je vzduchové chlazení obecně vhodné pro výkonové hustoty pod 20 kW/skříň a kapalinové chlazení má zjevné výhody nad 20 kW. Bez zohlednění faktorů, jako jsou napájecí moduly a síťové moduly, za předpokladu, že do jednoho stojanu lze umístit 6 školicích serverů AI, může odhadovaný výkon jednoho stojanu dosáhnout 37.8 kW (2 CPU se spotřebou energie 700 W a 8 GPU s příkon 5600W); s ohledem na odvod tepla ostatních modulů ve skříni bude skutečný výkon jedné skříně vyšší. U serverových skříní pro školení a inference AI výkon jedné skříně přesáhl rozsah hustoty výkonu, který lze pokrýt vzduchovým chlazením, a kapalinové chlazení se stalo obecným trendem.

2. Diagram vývoje způsobů chlazení

2.1 Přepětí čipu: Posun do éry kapalinového chlazení

Ve srovnání s chlazením vzduchem má kapalinové chlazení více výhod v rozptylu tepla, spotřebě energie, hluku a nákladech na údržbu. Tepelná kapacita vody je 4000krát větší než u vzduchu a tepelná vodivost je 25krát větší než u vzduchu. Při stejném průtoku může účinněji snížit teplotu třísky. Technologie kapalinového chlazení zároveň dokáže rovnoměrně pokrýt povrch čipu a zlepšit stabilitu systému. Kapalinový chladicí systém potřebuje pouze nízké otáčky ventilátoru pro udržení odvodu tepla, takže hluk může být během provozu snížen o více než 60 % ve srovnání s chlazením vzduchem. Kromě toho, nedostatek snadno opotřebitelných dílů způsobuje, že systém kapalinového chlazení má delší životnost.

Kapalinové chlazení nahradí chlazení vzduchem jako nejlepší volba. Výkon jedné skříně pro vzduchové chlazení je 0-30kw a výkon jedné skříně pro kapalinové chlazení je 30-200kw, z toho chladicí deska 30-80kw a ponor 80-200kw. Na konferenci GTC 2024 vydala NVIDIA skříň NVL72 s výkonem 120kw. S neustále rostoucím trendem výkonu jedné skříně vzduchové chlazení postupně nesplňuje požadavky na odvod tepla a kapalinové chlazení se stane hlavním trendem.

2.2 Hnací síla třetí: Vzestup serverů s umělou inteligencí činí řešení kapalinového chlazení nákladově efektivnějšími

Poptávka po výpočetním výkonu AI řídí celkové dodávky serverů na trhu. Od roku 2019 si dodávky serverů v mé zemi udržují trvale rostoucí trend a očekává se, že v roce 4.55 dosáhnou 2024 milionu jednotek, což je meziroční nárůst o 1.3 %. Přestože celosvětové dodávky v roce 2023 poklesnou kvůli penetraci vysokonákladových serverů s umělou inteligencí a odložení obecných aktualizací serverů, očekává se, že rychlý růst trhu serverů s umělou inteligencí povede k celkovému prodeji, který by měl dosáhnout 13.654 milionu kusů v roce 2024, meziroční nárůst o 19.8 %.

Podíl dodávek serverů s umělou inteligencí se rok od roku zvyšuje a vyhlídky na trhu kapalinou chlazených serverů jsou slibné. V roce 2023 tvořily globální dodávky serverů AI 10.4 % a domácí podíl byl 7.9 %, což si udržuje stabilní růst od roku 2020. Očekává se, že globální podíl serverů AI v roce 15 vzroste na 2026 %. Podle IDC Dodávky kapalinou chlazených serverů v zemi v roce 2023 budou činit 161,000 45 jednotek, což bude představovat XNUMX % AI zásilky na serverovém trhu. S popularizací a zaváděním kapalinou chlazených datových center a podporou národních politik se očekává, že dodávky serverů budou nadále růst.

3. Krajina trhu s kapalinovým chlazením a průmyslového řetězce

3.1 Rychlý růst v odvětví skladování energie pohání zvýšenou poptávku po systémech tepelné regulace

Rychlý rozvoj globálního velkokapacitního skladovacího trhu je hlavním zdrojem poptávky po regulaci teploty, zejména regulaci teploty kapalinového chlazení. Pokud jde o velkokapacitní úložiště na domácím trhu, na základě očekávání ročního instalovaného výkonu výroby elektrické energie, stejně jako růstu průměrné míry konfigurace úložiště energie a doby konfigurace nových projektů, odhadujeme, že od roku 2023 do V roce 2025 dosáhne nový instalovaný výkon domácího předměřiče energie 31, 52 a 83 GW.

Pokud jde o skladování na globálním trhu, s přihlédnutím ke stavu výstavby energetických zásobníků a stavebním potřebám hlavních trhů, jako je Čína, Spojené státy americké, Evropská unie, Austrálie a Japonsko, odhadujeme, že od roku 2023 do roku 2025 bude celosvětově instalovaný nový kapacita úložiště energie před elektroměrem dosáhne 90 GW, 143 GW a 212 GW.

Pokud jde o skladování na globálním trhu, s přihlédnutím ke stavu výstavby energetických zásobníků a stavebním potřebám hlavních trhů, jako je Čína, Spojené státy americké, Evropská unie, Austrálie a Japonsko, odhadujeme, že od roku 2023 do roku 2025 bude celosvětově instalovaný nový kapacita úložiště energie před elektroměrem dosáhne 90 GW, 143 GW a 212 GW.