La IA allana el camino para una nueva era en la industria de refrigeración líquida

1. Comparación y principios de la tecnología de refrigeración

Refrigeración líquida vs refrigeración por aire
	refrigeración por aire	Refrigeración líquida
Medio de intercambio de calor	Carga Aérea	Liquid
Componentes de accionamiento	Ventilador	Quitar ventiladores
Capacidad de disipación de calor	Capacidad general de disipación de calor	Buena disipación de calor
Ahorro energético y reducción del consumo.	Valor PUE menor a 2	Valor PUE dentro de 1.2
Ruido	Alto nivel de ruido	Quitar ventiladores, bajo nivel de ruido
Costo de construcción	Los gabinetes solo se pueden organizar en baja densidad y ocupan una gran área de la sala de computadoras, lo que requiere un diseño tradicional de aire acondicionado de precisión y canales de frío y calor.	Puede brindar un diseño de distribución de gabinete de alta densidad, reducir el área ocupada de la sala de computadoras, un PUE bajo significa una escala más pequeña de infraestructura de suministro, distribución y respaldo de energía.
Selección de sitio	Altas exigencias en cuanto a clima ambiental y factores de potencia	No está restringido por políticas de calidad del aire, clima y energía y se puede utilizar en todo el mundo.

1.1 Tecnología de refrigeración por aire

Diagrama de los principios del sistema de enfriamiento por aire

Tecnología de refrigeración por aire es la tecnología de refrigeración convencional en los centros de datos. El principio de disipación de calor de los radiadores enfriados por aire es conducir el calor generado por el objeto generador de calor al disipador de calor con mayor capacidad térmica y área de disipación de calor a través del disipador de calor de metal que está en estrecho contacto con el objeto generador de calor (para computadoras, es la CPU, GPU y otros chips semiconductores), y luego usar el efecto de desviación del ventilador para hacer que el aire pase a través de la superficie del disipador de calor rápidamente, acelerando la convección de calor entre el disipador de calor y el aire, es decir, disipación de calor por convección forzada.

1.2 Tecnología de refrigeración líquida

Comparación de tres tecnologías de refrigeración líquida
	Tipo de placa fría	Tipo de inmersión	Tipo de spray
Costo	La placa fría requiere muchas especificaciones, la mayoría de las cuales deben personalizarse por separado y el costo es relativamente alto.	Utiliza más refrigerante, con un coste medio	Al modificar servidores y gabinetes antiguos para agregar los dispositivos necesarios, el costo es relativamente bajo.
Mantenibilidad	Excelente	Pobre	Media
Utilización del espacio	Alta	Media	Mayor
Compatibilidad	Sin contacto directo con la placa base y el módulo de chip, la compatibilidad del material es fuerte.	Contacto directo, mala compatibilidad de materiales.	Contacto directo, mala compatibilidad de materiales.
Facilidad de instalación	No cambia la forma original del servidor y conserva la placa base del servidor existente, lo que es fácil de instalar.	Cambia la estructura original de la placa base del servidor, es necesario reinstalarla	No cambia la forma original de la placa base del servidor, fácil de instalar.
Reciclabilidad	Utiliza circulación de bucle de circuito doble para lograr un uso secundario del refrigerante y reducir los costos operativos.	Circula a través de dispositivos de enfriamiento al aire libre para reducir los costos operativos.	Utilice una bomba de circulación para lograr la reutilización de recursos y reducir los costos operativos

Tecnologías de refrigeración líquida Entre las tecnologías de refrigeración líquida por placa fría, inmersión y pulverización, la de placa fría presenta importantes ventajas de aplicación en términos de facilidad de mantenimiento, utilización del espacio y compatibilidad, pero en términos de costo, debido a que se trata de un dispositivo de placa fría personalizado individualmente, el costo de aplicación de la tecnología es relativamente alto. La tecnología de refrigeración líquida por pulverización reduce en gran medida el costo de construcción de la infraestructura del centro de datos al transformar los servidores y gabinetes antiguos. En comparación con las otras dos tecnologías, aunque la de inmersión tiene una menor facilidad de mantenimiento y compatibilidad, tiene un mejor desempeño en la utilización del espacio y la reciclabilidad, lo que reduce el consumo de energía de los centros de datos.

Diagrama de principio del sistema de enfriamiento líquido de placa fría

El enfriamiento por líquido de placa fría es una tecnología de enfriamiento por líquido sin contacto. Esta tecnología transfiere indirectamente el calor del dispositivo de calentamiento al líquido de enfriamiento encerrado en la tubería de circulación a través de la placa de enfriamiento por líquido (generalmente una cavidad cerrada hecha de metales conductores de calor como cobre y aluminio), y elimina el calor a través del líquido de enfriamiento. El sistema de enfriamiento por líquido de placa fría se compone principalmente de una torre de enfriamiento, CDU, tuberías de enfriamiento por líquido del lado primario y secundario, medio de enfriamiento y gabinete de enfriamiento por líquido; el gabinete de enfriamiento por líquido contiene una placa de enfriamiento por líquido, tuberías de enfriamiento por líquido en el equipo, conectores de fluido y distribuidores de líquido.

Principio de disipación de calor de refrigeración líquida de placa fría:
1.La placa de enfriamiento líquido está unida al chip;
2. El calor del equipo de chip se transfiere a la placa de enfriamiento de líquido a través de la conducción de calor, y el fluido de trabajo ingresa a la placa fría bajo el accionamiento de la bomba de circulación CDU y luego absorbe calor en la placa de enfriamiento de líquido a través de un intercambio de calor por convección mejorado.

Diagrama de principio del sistema de enfriamiento líquido de inmersión monofásico

El enfriamiento por inmersión en líquido es una tecnología de enfriamiento por líquido de contacto. Esta tecnología utiliza refrigerante como medio de transferencia de calor, sumerge completamente el dispositivo generador de calor en el refrigerante y el dispositivo generador de calor está en contacto directo con el refrigerante y realiza el intercambio de calor. El lado exterior del sistema de enfriamiento por inmersión en líquido incluye una torre de enfriamiento, una red de tuberías del lado primario y un refrigerante del lado primario; el lado interior incluye una CDU, una cavidad de inmersión, equipo de TI, una red de tuberías del lado secundario y un refrigerante del lado secundario. Durante el uso, el equipo de TI está completamente sumergido en el refrigerante del lado secundario, por lo que el refrigerante circulante del lado secundario necesita utilizar un líquido no conductor, como aceite mineral, aceite de silicona, líquido fluorado, etc. Según si el refrigerante cambia de fase durante el proceso de intercambio de calor, se puede dividir en enfriamiento por líquido de inmersión monofásico y enfriamiento por líquido de inmersión bifásico.

Entre ellos, el refrigerante secundario de la tecnología de refrigeración líquida por inmersión monofásica como medio de transferencia de calor solo sufre cambios de temperatura durante el proceso de transferencia de calor y no hay cambio de fase. El proceso depende completamente del cambio de calor sensible del material para transferir el calor.

Sistema de refrigeración líquida por inmersión de dos fases

En el enfriamiento por líquido de inmersión de dos fases, el refrigerante secundario, que sirve como medio de transferencia de calor, sufre un cambio de fase durante el proceso de transferencia de calor y transfiere calor basándose en el cambio de calor latente de la sustancia. Su camino de transferencia de calor es básicamente el mismo que el del enfriamiento por líquido de inmersión monofásico. La principal diferencia es que el refrigerante secundario solo circula dentro de la cavidad de inmersión, y la parte superior de la cavidad de inmersión es un área gaseosa y la parte inferior es un área líquida: el equipo de TI está completamente sumergido en el refrigerante líquido de bajo punto de ebullición, y el refrigerante líquido absorbe el calor del equipo y hierve. El refrigerante gaseoso de alta temperatura producido por vaporización se acumulará gradualmente en la parte superior de la cavidad de inmersión debido a su baja densidad y se condensará en un refrigerante líquido de baja temperatura después del intercambio de calor con el condensador instalado en la parte superior, y luego fluirá de regreso a la parte inferior de la cavidad bajo la acción de la gravedad para lograr la disipación de calor del equipo de TI.

Diagrama de principio del sistema de enfriamiento por líquido en aerosol

El enfriamiento por líquido por aspersión es una forma de enfriamiento por líquido que rocía con precisión sobre dispositivos a nivel de chip y rocía directamente refrigerante sobre dispositivos generadores de calor o elementos conductores de calor conectados a ellos por gravedad o presión del sistema. Es un sistema de enfriamiento por líquido de contacto directo. El sistema de enfriamiento por líquido por aspersión se compone principalmente de una torre de enfriamiento, CDU, tuberías de enfriamiento por líquido primario y secundario, medio de enfriamiento y gabinete de enfriamiento por líquido por aspersión; el gabinete de enfriamiento por líquido por aspersión generalmente incluye un sistema de tuberías, un sistema de distribución de líquido, un módulo de aspersión, un sistema de retorno de líquido, etc.

Principio del sistema de enfriamiento de líquido por pulverización: el refrigerante enfriado en la unidad de distribución de frío se bombea al interior del gabinete de pulverización a través de la tubería; después de ingresar al gabinete, el refrigerante ingresa directamente al dispositivo de distribución de líquido correspondiente al servidor a través del distribuidor de líquido, o el refrigerante se transporta al tanque de entrada de líquido para proporcionar una cantidad fija de energía potencial gravitacional para impulsar el refrigerante para que se rocíe a través del dispositivo de distribución de líquido; el refrigerante se rocía y se enfría a través del dispositivo generador de calor en el equipo de TI o el material conductor de calor conectado a él; el refrigerante calentado se recolectará a través del tanque de retorno y se bombeará a la unidad de distribución de frío para el siguiente ciclo de refrigeración.

1.3 Evolución de los métodos de refrigeración en racks

Diagrama de evolución de los métodos de enfriamiento

La potencia de un solo gabinete supera el umbral de refrigeración por aire, y la refrigeración líquida es la tendencia general. Según el informe técnico de tecnología de Vertiv, la refrigeración por aire es generalmente adecuada para densidades de potencia inferiores a 20 kW/gabinete, y la refrigeración líquida tiene ventajas obvias por encima de los 20 kW. Sin tener en cuenta factores como los módulos de potencia y los módulos de red, suponiendo que se pueden colocar 6 servidores de entrenamiento de IA en un solo rack, la potencia estimada de un solo rack puede alcanzar los 37.8 kW (2 CPU con un consumo de energía de 700 W y 8 GPU con un consumo de energía de 5600 W); teniendo en cuenta la disipación de calor de otros módulos en el gabinete, la potencia real de un solo gabinete será mayor. En el caso de los gabinetes de servidores de inferencia y entrenamiento de IA, la potencia de un solo gabinete ha superado el rango de densidad de potencia que puede cubrir la refrigeración por aire, y la refrigeración líquida se ha convertido en una tendencia general.

2. Diagrama de evolución de los métodos de enfriamiento

2.1 Aumento de potencia de los chips: el paso a la era de la refrigeración líquida

En comparación con el enfriamiento por aire, el enfriamiento por líquido tiene más ventajas en cuanto a disipación de calor, consumo de energía, ruido y costos de mantenimiento. La capacidad calorífica del agua es 4000 veces mayor que la del aire y la conductividad térmica es 25 veces mayor que la del aire. Con el mismo caudal, puede reducir de manera más efectiva la temperatura del chip. Al mismo tiempo, la tecnología de enfriamiento por líquido puede cubrir uniformemente la superficie del chip y mejorar la estabilidad del sistema. El sistema de enfriamiento por líquido solo necesita una velocidad baja del ventilador para mantener la disipación de calor, por lo que el ruido se puede reducir en más del 60% en comparación con el enfriamiento por aire durante el funcionamiento. Además, la falta de piezas que se desgastan fácilmente hace que el sistema de enfriamiento por líquido tenga una vida útil más larga.

La refrigeración líquida reemplazará a la refrigeración por aire como la mejor opción. La potencia de un solo gabinete para refrigeración por aire es de 0 a 30 kW, y la potencia de un solo gabinete para refrigeración líquida es de 30 a 200 kW, de los cuales la placa fría es de 30 a 80 kW y la inmersión es de 80 a 200 kW. En la conferencia GTC de 2024, NVIDIA lanzó el gabinete NVL72 con una potencia de 120 kW. Con la tendencia al alza continua de la potencia de un solo gabinete, la refrigeración por aire ha dejado de cumplir gradualmente con los requisitos de disipación de calor, y la refrigeración líquida se convertirá en la tendencia principal.

2.2 Fuerza impulsora número tres: el auge de los servidores con IA hace que las soluciones de refrigeración líquida sean más rentables

La demanda de potencia informática de IA impulsa los envíos totales del mercado de servidores. Desde 2019, los envíos de servidores de mi país han mantenido una tendencia ascendente constante y se espera que alcancen los 4.55 millones de unidades en 2024, un aumento interanual del 1.3%. Aunque los envíos globales disminuirán en 2023 debido a la penetración de servidores de IA de alto costo y al aplazamiento de las actualizaciones generales de servidores, se espera que el rápido crecimiento del mercado de servidores de IA impulse los envíos totales del mercado, que se espera que alcancen los 13.654 millones de unidades en 2024, un aumento interanual del 19.8%.

La proporción de envíos de servidores de IA ha aumentado año tras año y las perspectivas de mercado para los servidores refrigerados por líquido son prometedoras. En 2023, los envíos globales de servidores de IA representaron el 10.4% y la participación nacional fue del 7.9%, manteniendo un crecimiento constante desde 2020. Se espera que la participación global de servidores de IA aumente al 15% en 2026. Según IDC, los envíos de servidores refrigerados por líquido de mi país en 2023 serán de 161,000 unidades, lo que representa el 45% de los envíos del mercado de servidores de IA. Con la popularización y el despliegue de los centros de datos refrigerados por líquido y el apoyo de las políticas nacionales, se espera que los envíos de servidores sigan creciendo.

3. Panorama del mercado de refrigeración líquida y la cadena industrial

3.1 El rápido crecimiento de la industria de almacenamiento de energía impulsa una mayor demanda de sistemas de control térmico

El rápido desarrollo del mercado mundial de almacenamiento a gran escala es la principal fuente de demanda de control de temperatura, especialmente control de temperatura de refrigeración líquida. En términos de almacenamiento a gran escala en el mercado nacional, con base en la expectativa de nueva capacidad instalada de generación de energía anual, así como el crecimiento de la tasa promedio de configuración de almacenamiento de energía y el tiempo de configuración de nuevos proyectos, estimamos que de 2023 a 2025, la nueva capacidad instalada de almacenamiento de energía premedida nacional alcanzará 31, 52 y 83 GW respectivamente.

En términos de almacenamiento en el mercado global, teniendo en cuenta el estado de la construcción de almacenamiento de energía y las necesidades de construcción de los principales mercados como China, Estados Unidos, la Unión Europea, Australia y Japón, estimamos que de 2023 a 2025, la nueva capacidad instalada global de almacenamiento de energía pre-medidor alcanzará 90 GW, 143 GW y 212 GW, respectivamente.

En términos de almacenamiento en el mercado global, teniendo en cuenta el estado de la construcción de almacenamiento de energía y las necesidades de construcción de los principales mercados como China, Estados Unidos, la Unión Europea, Australia y Japón, estimamos que de 2023 a 2025, la nueva capacidad instalada global de almacenamiento de energía pre-medidor alcanzará 90 GW, 143 GW y 212 GW, respectivamente.