AI Membuka Jalan bagi Era Baru dalam Industri Pendinginan Cair

1. Perbandingan dan Prinsip Teknologi Pendinginan

Pendinginan Cair vs Pendinginan Udara
	Pendingin Air	Pendinginan cair
Media pertukaran panas	Udara	Cair
Komponen drive	Penggemar	Hapus kipas
Kapasitas pembuangan panas	Kapasitas pembuangan panas umum	Disipasi panas yang baik
Penghematan energi dan pengurangan konsumsi	Nilai PUE kurang dari 2	Nilai PUE dalam 1.2
Kebisingan	Kebisingan tinggi	Lepaskan kipas, kebisingan rendah
Biaya konstruksi	Kabinet hanya dapat diatur dalam kepadatan rendah, dan kabinet menempati area ruang komputer yang luas, membutuhkan AC presisi tradisional dan desain saluran panas dan dingin.	Dapat menghadirkan desain tata letak kabinet kepadatan tinggi, mengurangi area ruang komputer yang ditempati, PUE rendah berarti skala catu daya, distribusi, dan infrastruktur cadangan yang lebih kecil
Pilihan situs	Persyaratan tinggi untuk iklim lingkungan dan faktor daya	Tidak dibatasi oleh kualitas udara, iklim dan kebijakan energi, dapat digunakan di seluruh dunia

1.1 Teknologi Pendinginan Udara

Diagram Prinsip Sistem Pendingin Udara

Teknologi pendingin udara adalah teknologi pendinginan arus utama di pusat data. Prinsip pembuangan panas radiator berpendingin udara adalah menyalurkan panas yang dihasilkan oleh objek pembangkit panas ke unit pendingin dengan kapasitas panas dan area pembuangan panas yang lebih besar melalui unit pendingin logam yang bersentuhan erat dengan objek pembangkit panas (untuk komputer, CPU, GPU, dan chip semikonduktor lainnya), lalu menggunakan efek pengalihan kipas untuk membuat udara melewati permukaan unit pendingin dengan cepat, mempercepat konveksi panas antara unit pendingin dan udara, yaitu pembuangan panas konveksi paksa.

1.2 Teknologi Pendinginan Cair

Perbandingan Tiga Teknologi Pendinginan Cair
	Tipe pelat dingin	Tipe perendaman	Jenis semprotan
Biaya	Pelat dingin membutuhkan banyak spesifikasi, yang sebagian besar perlu disesuaikan secara terpisah, dan biayanya relatif tinggi	Menggunakan lebih banyak cairan pendingin, dengan biaya sedang	Dengan memodifikasi server dan kabinet lama untuk menambahkan perangkat yang diperlukan, biayanya relatif rendah
Maintainability	Sangat baik	Tidak baik	Medium
Pemanfaatan ruang	High	Medium	Paling tinggi
kecocokan	Tidak ada kontak langsung dengan motherboard dan modul chip, kompatibilitas materialnya kuat	Kontak langsung, kompatibilitas material buruk	Kontak langsung, kompatibilitas material buruk
Kemudahan instalasi	Tidak mengubah bentuk asli server dan tetap mempertahankan motherboard server yang ada, yang mudah dipasang	Mengubah struktur asli motherboard server, perlu diinstal ulang	Tidak mengubah bentuk asli motherboard server, mudah dipasang
Dapat didaur ulang	Menggunakan sirkulasi loop sirkuit ganda untuk mencapai penggunaan sekunder refrigeran dan mengurangi biaya pengoperasian	Bersirkulasi melalui perangkat pendingin luar ruangan untuk mengurangi biaya pengoperasian	Gunakan pompa sirkulasi untuk mencapai penggunaan kembali sumber daya dan mengurangi biaya operasional

Teknologi pendingin cair termasuk jenis pelat dingin, perendaman, dan semprotan. Di antara semuanya, teknologi pendingin cair pelat dingin memiliki keunggulan aplikasi yang kuat dalam hal kemudahan perawatan, pemanfaatan ruang, dan kompatibilitas; tetapi dalam hal biaya, karena perangkat pelat dinginnya disesuaikan secara individual, biaya aplikasi teknologi relatif tinggi. Teknologi pendingin cair semprot sangat mengurangi biaya konstruksi infrastruktur pusat data dengan mengubah server dan kabinet lama. Dibandingkan dengan dua teknologi lainnya, meskipun teknologi perendaman memiliki kemudahan perawatan dan kompatibilitas yang lebih buruk, ia memiliki kinerja yang lebih baik dalam pemanfaatan ruang dan daur ulang, sehingga mengurangi konsumsi energi pusat data.

Diagram Prinsip Sistem Pendinginan Cairan Pelat Dingin

Pendinginan cairan pelat dingin merupakan teknologi pendinginan cairan nonkontak. Teknologi ini secara tidak langsung memindahkan panas dari perangkat pemanas ke cairan pendingin yang terkurung dalam pipa sirkulasi melalui pelat pendingin cairan (biasanya rongga tertutup yang terbuat dari logam penghantar panas seperti tembaga dan aluminium), dan membuang panas melalui cairan pendingin. Sistem pendingin cairan pelat dingin terutama terdiri dari menara pendingin, CDU, pipa pendingin cairan sisi primer dan sekunder, media pendingin, dan kabinet pendingin cairan; kabinet pendingin cairan berisi pelat pendingin cairan, pipa pendingin cairan dalam peralatan, konektor cairan, dan distributor cairan.

Prinsip pembuangan panas pendingin cair pelat dingin:
1. Pelat pendingin cair diikatkan pada chip;
2. Panas peralatan chip ditransfer ke pelat pendingin cair melalui konduksi panas, dan fluida kerja memasuki pelat dingin di bawah penggerak pompa sirkulasi CDU, lalu menyerap panas di pelat pendingin cair melalui pertukaran panas konveksi yang ditingkatkan.

Diagram Prinsip Sistem Pendinginan Cairan Imersi Fase Tunggal

Pendinginan imersi cair adalah teknologi pendinginan cairan kontak. Teknologi ini menggunakan cairan pendingin sebagai media perpindahan panas, merendam sepenuhnya perangkat pembangkit panas dalam cairan pendingin, dan perangkat pembangkit panas bersentuhan langsung dengan cairan pendingin dan melakukan pertukaran panas. Sisi luar sistem pendingin cairan imersi meliputi menara pendingin, jaringan pipa sisi primer, dan cairan pendingin sisi primer; sisi dalam meliputi CDU, rongga imersi, peralatan IT, jaringan pipa sisi sekunder, dan cairan pendingin sisi sekunder. Selama penggunaan, peralatan IT sepenuhnya terbenam dalam cairan pendingin sisi sekunder, sehingga cairan pendingin yang bersirkulasi di sisi sekunder perlu menggunakan cairan non-konduktif, seperti minyak mineral, minyak silikon, cairan terfluorinasi, dll. Menurut apakah cairan pendingin berubah fase selama proses pertukaran panas, dapat dibagi menjadi pendinginan cairan imersi fase tunggal dan pendinginan cairan imersi dua fase.

Di antaranya, pendingin sisi sekunder dari teknologi pendingin cair imersi fase tunggal sebagai media pemindah panas hanya mengalami perubahan suhu selama proses pemindahan panas, dan tidak ada perubahan fase. Proses ini sepenuhnya bergantung pada perubahan panas yang masuk akal dari material untuk memindahkan panas.

Sistem Pendingin Cairan Imersi Dua Fase

Dalam pendinginan cairan imersi dua fase, cairan pendingin sekunder, yang berfungsi sebagai media pemindah panas, mengalami perubahan fase selama proses pemindahan panas, dan memindahkan panas dengan mengandalkan perubahan panas laten zat tersebut. Jalur pemindahan panasnya pada dasarnya sama dengan pendinginan cairan imersi fase tunggal. Perbedaan utamanya adalah cairan pendingin sekunder hanya bersirkulasi di dalam rongga imersi, dan bagian atas rongga imersi adalah area gas dan bagian bawahnya adalah area cair: peralatan IT sepenuhnya terendam dalam cairan pendingin titik didih rendah, dan cairan pendingin menyerap panas peralatan dan mendidih. Cairan pendingin gas suhu tinggi yang dihasilkan oleh penguapan secara bertahap akan terkumpul di bagian atas rongga imersi karena kepadatannya yang rendah, dan mengembun menjadi cairan pendingin suhu rendah setelah pertukaran panas dengan kondensor yang dipasang di bagian atas, dan kemudian mengalir kembali ke bagian bawah rongga di bawah aksi gravitasi untuk mencapai pembuangan panas peralatan IT.

Diagram Prinsip Sistem Pendinginan Cairan Semprot

Pendinginan cairan semprot adalah bentuk pendinginan cairan yang disemprotkan secara tepat pada perangkat tingkat chip dan langsung menyemprotkan cairan pendingin ke perangkat pembangkit panas atau elemen penghantar panas yang terhubung dengannya melalui gravitasi atau tekanan sistem. Ini adalah sistem pendinginan cairan kontak langsung. Sistem pendinginan cairan semprot terutama terdiri dari menara pendingin, CDU, jaringan pipa pendingin cairan primer dan sekunder, media pendingin, dan kabinet pendingin cairan semprot; kabinet pendingin cairan semprot biasanya mencakup sistem jaringan pipa, sistem distribusi cairan, modul semprot, sistem pengembalian cairan, dll.

Prinsip kerja sistem pendingin cairan semprot: cairan pendingin yang didinginkan dalam unit distribusi dingin dipompa ke dalam lemari semprot melalui pipa; setelah memasuki lemari, cairan pendingin langsung masuk ke perangkat distribusi cairan yang berhubungan dengan server melalui distributor cairan, atau cairan pendingin diangkut ke tangki pemasukan cairan untuk menyediakan sejumlah energi potensial gravitasi yang tetap guna menggerakkan cairan pendingin agar disemprotkan melalui perangkat distribusi cairan; cairan pendingin disemprotkan dan didinginkan melalui perangkat pembangkit panas dalam peralatan IT atau material penghantar panas yang terhubung dengannya; cairan pendingin yang dipanaskan akan dikumpulkan melalui tangki pengembalian dan dipompa ke unit distribusi dingin untuk siklus pendinginan berikutnya.

1.3 Evolusi Metode Pendinginan pada Pembangkit Listrik Tenaga Rak

Diagram Evolusi Metode Pendinginan

Daya kabinet tunggal melampaui ambang batas pendinginan udara, dan pendinginan cair merupakan tren umum. Menurut kertas putih teknologi Vertiv, pendinginan udara umumnya cocok untuk kepadatan daya di bawah 20 kW/kabinet, dan pendinginan cair memiliki keunggulan yang jelas di atas 20 kW. Tanpa mempertimbangkan faktor-faktor seperti modul daya dan modul jaringan, dengan asumsi bahwa 6 server pelatihan AI dapat ditempatkan dalam satu rak, perkiraan daya rak tunggal dapat mencapai 37.8 kW (2 CPU dengan konsumsi daya 700 w dan 8 GPU dengan konsumsi daya 5600 w); dengan mempertimbangkan pembuangan panas modul lain di kabinet, daya aktual kabinet tunggal akan lebih tinggi. Untuk kabinet server pelatihan dan inferensi AI, daya kabinet tunggal telah melampaui kisaran kepadatan daya yang dapat dicakup oleh pendinginan udara, dan pendinginan cair telah menjadi tren umum.

2. Diagram Evolusi Metode Pendinginan

2.1 Lonjakan Daya Chip: Pergeseran ke Era Pendinginan Cair

Dibandingkan dengan pendinginan udara, pendinginan cair memiliki lebih banyak keunggulan dalam pembuangan panas, konsumsi energi, kebisingan, dan biaya perawatan. Kapasitas panas air adalah 4000 kali lipat dari udara, dan konduktivitas termal adalah 25 kali lipat dari udara. Pada laju aliran yang sama, ia dapat secara lebih efektif mengurangi suhu chip. Pada saat yang sama, teknologi pendinginan cair dapat menutupi permukaan chip secara merata dan meningkatkan stabilitas sistem. Sistem pendinginan cair hanya membutuhkan kecepatan kipas yang rendah untuk mempertahankan pembuangan panas, sehingga kebisingan dapat dikurangi lebih dari 60% dibandingkan dengan pendinginan udara selama pengoperasian. Selain itu, kurangnya bagian yang mudah aus membuat sistem pendinginan cair memiliki masa pakai yang lebih lama.

Pendinginan cair akan menggantikan pendinginan udara sebagai pilihan terbaik. Daya kabinet tunggal untuk pendinginan udara adalah 0-30kw, dan daya kabinet tunggal untuk pendinginan cair adalah 30-200kw, yang mana pelat dingin adalah 30-80kw dan pencelupan adalah 80-200kw. Pada konferensi GTC 2024, NVIDIA merilis kabinet NVL72 dengan daya 120kw. Dengan tren peningkatan daya kabinet tunggal yang berkelanjutan, pendinginan udara secara bertahap gagal memenuhi persyaratan pembuangan panas, dan pendinginan cair akan menjadi tren utama.

2.2 Kekuatan Pendorong Ketiga: Meningkatnya Server AI Membuat Solusi Pendinginan Cair Lebih Hemat Biaya

Permintaan daya komputasi AI mendorong total pengiriman pasar server. Sejak 2019, pengiriman server negara saya telah mempertahankan tren kenaikan yang stabil, dan diperkirakan akan mencapai 4.55 juta unit pada tahun 2024, peningkatan tahun-ke-tahun sebesar 1.3%. Meskipun pengiriman global akan menurun pada tahun 2023 karena penetrasi server AI berbiaya tinggi dan penundaan pembaruan server umum, pertumbuhan pesat pasar server AI diperkirakan akan mendorong total pengiriman pasar, yang diperkirakan akan mencapai 13.654 juta unit pada tahun 2024, peningkatan tahun-ke-tahun sebesar 19.8%.

Proporsi pengiriman server AI meningkat dari tahun ke tahun, dan prospek pasar untuk server berpendingin cairan menjanjikan. Pada tahun 2023, pengiriman server AI global mencapai 10.4%, dan pangsa domestik mencapai 7.9%, mempertahankan pertumbuhan yang stabil sejak tahun 2020. Diharapkan pangsa server AI global akan meningkat menjadi 15% pada tahun 2026. Menurut IDC, pengiriman server berpendingin cairan negara saya pada tahun 2023 akan mencapai 161,000 unit, yang mencakup 45% dari pengiriman pasar server AI. Dengan mempopulerkan dan menyebarkan pusat data berpendingin cairan dan dukungan kebijakan nasional, pengiriman server diharapkan akan terus tumbuh.

3. Lanskap Pasar Pendingin Cair dan Rantai Industri

3.1 Pertumbuhan Pesat Industri Penyimpanan Energi Mendorong Meningkatnya Permintaan Sistem Kontrol Termal

Perkembangan pesat pasar penyimpanan skala besar global merupakan sumber utama permintaan untuk kontrol suhu, khususnya kontrol suhu pendingin cair. Dalam hal penyimpanan skala besar di pasar domestik, berdasarkan ekspektasi kapasitas terpasang pembangkitan daya energi baru tahunan, serta pertumbuhan tingkat konfigurasi penyimpanan energi rata-rata dan waktu konfigurasi proyek baru, kami memperkirakan bahwa dari tahun 2023 hingga 2025, kapasitas terpasang baru penyimpanan energi pra-meter domestik masing-masing akan mencapai 31, 52, dan 83 GW.

Dalam hal penyimpanan pasar global, dengan mempertimbangkan status konstruksi penyimpanan energi dan kebutuhan konstruksi pasar-pasar utama seperti China, Amerika Serikat, Uni Eropa, Australia, dan Jepang, kami memperkirakan bahwa dari tahun 2023 hingga 2025, kapasitas terpasang baru global penyimpanan energi pra-meter akan mencapai masing-masing 90GW, 143GW, dan 212GW.

Dalam hal penyimpanan pasar global, dengan mempertimbangkan status konstruksi penyimpanan energi dan kebutuhan konstruksi pasar-pasar utama seperti China, Amerika Serikat, Uni Eropa, Australia, dan Jepang, kami memperkirakan bahwa dari tahun 2023 hingga 2025, kapasitas terpasang baru global penyimpanan energi pra-meter akan mencapai masing-masing 90GW, 143GW, dan 212GW.