AI baner vei for en ny æra i væskekjølingsindustrien

1. Sammenligning og prinsipper for kjøleteknologi

Væskekjøling vs luftkjøling
	luftkjøling	Flytende kjøling
Varmevekslingsmedium	Air	Flytende
Kjør komponenter	Fan	Fjern vifter
Varmeavledningskapasitet	Generell varmeavledningskapasitet	God varmeavledning
Energisparing og forbruksreduksjon	PUE-verdi mindre enn 2	PUE-verdi innenfor 1.2
Bråk	Høy støy	Fjern vifter, lav støy
Byggekostnad	Skap kan bare arrangeres i lav tetthet, og skapene okkuperer et stort område av datarommet, og krever tradisjonell presisjonsklimaanlegg og varm og kald kanaldesign	Kan gi skapoppsett med høy tetthet, redusere det okkuperte datarommet, lav PUE betyr mindre skala av strømforsyning, distribusjon og backup-infrastruktur
Nettstedsvalg	Høye krav til miljøklima og effektfaktorer	Ikke begrenset av luftkvalitet, klima og energipolitikk, kan brukes over hele verden

1.1 Luftkjølingsteknologi

Diagram over luftkjølesystemprinsipper

Luftkjølingsteknologi er den vanlige kjøleteknologien i datasentre. Varmeavledningsprinsippet til luftkjølte radiatorer er å lede varmen som genereres av det varmegenererende objektet til kjøleribben med større varmekapasitet og varmeavledningsareal gjennom metallkjøleribben som er i nær kontakt med det varmegenererende objektet ( for datamaskiner er det CPU, GPU og andre halvlederbrikker), og bruk deretter viftens avledningseffekt for å få luften til å passere gjennom kjøleribbeoverflaten raskt, og akselerere varmekonveksjonen mellom kjøleribbe og luften, det vil si tvungen konveksjonsvarmeavledning.

1.2 Liquid Cooling Technology

Sammenligning av tre væskekjølingsteknologier
	Type kald plate	Fordypningstype	Spraytype
Kostnad	Den kalde platen krever mange spesifikasjoner, hvorav de fleste må tilpasses separat, og kostnadene er relativt høye	Bruker mer kjølevæske, med middels kostnad	Ved å modifisere gamle servere og skap for å legge til nødvendige enheter, er kostnadene relativt lave
vedlikeholdbarhet	Utmerket	dårlig	Medium
Plassutnyttelse	Høyt	Medium	Høyeste
kompatibilitet	Ingen direkte kontakt med hovedkortet og brikkemodulen, materialkompatibiliteten er sterk	Direkte kontakt, dårlig materialkompatibilitet	Direkte kontakt, dårlig materialkompatibilitet
Enkel installasjon	Endrer ikke den opprinnelige formen på serveren og beholder det eksisterende serverens hovedkort, som er enkelt å installere	Endrer den opprinnelige strukturen til serverens hovedkort, må installeres på nytt	Endrer ikke den opprinnelige formen på serverens hovedkort, enkel å installere
resirkulerbarhet	Bruker sirkulasjon med to kretssløyfer for å oppnå sekundær bruk av kjølemediet og redusere driftskostnadene	Sirkulerer gjennom utendørs kjøleenheter for å redusere driftskostnadene	Bruk en sirkulasjonspumpe for å oppnå ressursgjenbruk og redusere driftskostnadene

Flytende kjøleteknologier inkluderer kaldplate, nedsenking og spraytyper. Blant dem har kaldplate væskekjølingsteknologi sterke applikasjonsfordeler når det gjelder vedlikehold, plassutnyttelse og kompatibilitet; men når det gjelder kostnader, på grunn av den individuelt tilpassede kaldplateenheten, er kostnadene for teknologiapplikasjon relativt høye. Sprayvæskekjølingsteknologi reduserer byggekostnadene for datasenterinfrastruktur betraktelig ved å transformere gamle servere og skap. Sammenlignet med de to andre teknologiene, selv om nedsenkingsteknologien har dårligere vedlikeholdsmuligheter og kompatibilitet, har den bedre ytelse i plassutnyttelse og resirkulerbarhet, noe som reduserer energiforbruket til datasentre.

Prinsippdiagram for flytende kjølesystem for kald plate

Væskekjøling med kald plate er en berøringsfri væskekjølingsteknologi. Denne teknologien overfører indirekte varmen fra varmeanordningen til kjølevæsken innesluttet i sirkulasjonsrørledningen gjennom væskekjøleplaten (vanligvis et lukket hulrom laget av varmeledende metaller som kobber og aluminium), og tar bort varmen gjennom kjølingen flytende. Væskekjølesystemet for kaldplate består hovedsakelig av et kjøletårn, CDU, primære og sekundære væskekjølerørledninger, kjølemedium og væskekjøleskap; væskekjøleskapet inneholder en væskekjøleplate, væskekjølerørledninger i utstyret, væskekoblinger og væskefordelere.

Kaldplate væskekjølende varmeavledningsprinsipp:
1. Væskekjøleplaten er festet til brikken;
2. Varmen fra brikkeutstyret overføres til væskekjøleplaten gjennom varmeledning, og arbeidsvæsken kommer inn i den kalde platen under stasjonen til CDU-sirkulasjonspumpen, og absorberer deretter varme i væskekjøleplaten gjennom forbedret konveksjonsvarmeveksling .

Prinsippdiagram for enfaset nedsenking av væskekjølesystem

Væskekjøling er en kontaktvæskekjølingsteknologi. Denne teknologien bruker kjølevæske som varmeoverføringsmedium, senker den varmegenererende enheten helt ned i kjølevæsken, og den varmegenererende enheten er i direkte kontakt med kjølevæsken og utfører varmeveksling. Utendørssiden av nedsenkingsvæskekjølesystemet inkluderer et kjøletårn, et primærsiderørnettverk og en primærsidekjølevæske; innendørssiden inkluderer en CDU, et nedsenkingshulrom, IT-utstyr, et sekundært siderørnettverk og en sekundærsidekjølevæske. Under bruk er IT-utstyret helt nedsenket i kjølevæsken på sekundærsiden, så den sirkulerende kjølevæsken på sekundærsiden må bruke en ikke-ledende væske, som mineralolje, silikonolje, fluorholdig væske osv. Avhengig av om kjølevæsken endres i fase under varmevekslingsprosessen, kan den deles inn i enfaset nedsenkingsvæskekjøling og tofaset nedsenkingsvæskekjøling.

Blant dem gjennomgår sekundærsidekjølevæsken til enfaset nedsenkingsvæskekjøleteknologi som varmeoverføringsmedium kun temperaturendringer under varmeoverføringsprosessen, og det er ingen faseendring. Prosessen er fullstendig avhengig av den fornuftige varmeendringen til materialet for å overføre varme.

To-faset nedsenkingssystem for væskekjøling

Ved tofaset nedsenkingsvæskekjøling gjennomgår det sekundære kjølevæsken, som fungerer som et varmeoverføringsmedium, en faseendring under varmeoverføringsprosessen, og overfører varme ved å stole på den latente varmeendringen til stoffet. Dens varmeoverføringsvei er i utgangspunktet den samme som for enfaset nedsenkingsvæskekjøling. Hovedforskjellen er at den sekundære kjølevæsken bare sirkulerer inne i nedsenkningshulen, og toppen av nedsenkningshulen er et gassformig område og bunnen er et væskeområde: IT-utstyret er helt nedsenket i det flytende kjølevæsken med lavt kokepunkt, og den flytende kjølevæsken absorberer varmen fra utstyret og koker. Den høytemperaturgassformige kjølevæsken produsert ved fordamping vil gradvis samle seg på toppen av nedsenkningshulen på grunn av dens lave tetthet, og kondensere til en lavtemperatur flytende kjølevæske etter varmeveksling med kondensatoren installert på toppen, og deretter strømme tilbake til bunnen av hulrommet under påvirkning av tyngdekraften for å oppnå varmespredning av IT-utstyret.

Prinsippdiagram for sprayvæskekjølesystem

Sprayvæskekjøling er en form for væskekjøling som sprayer nøyaktig på enheter på brikkenivå og direkte sprayer kjølevæske på varmegenererende enheter eller varmeledende elementer koblet til dem ved hjelp av gravitasjon eller systemtrykk. Det er et væskekjølesystem med direkte kontakt. Sprayvæskekjølesystemet består hovedsakelig av et kjøletårn, CDU, primære og sekundære væskekjølerørledninger, kjølemedium og sprayvæskekjøleskap; sprayvæskekjøleskapet inkluderer vanligvis et rørledningssystem, et væskedistribusjonssystem, en spraymodul, et væskeretursystem, etc.

Prinsippet for sprøytevæskekjølesystemet: kjølevæsken som kjøles i den kalde distribusjonsenheten pumpes til innsiden av sprøyteskapet gjennom rørledningen; etter å ha kommet inn i skapet, kommer kjølevæsken direkte inn i væskefordelingsanordningen som tilsvarer serveren gjennom væskefordeleren, eller kjølevæsken transporteres til væskeinntakstanken for å gi en fast mengde gravitasjonspotensialenergi for å drive kjølevæsken til å sprøyte gjennom væsken distribusjon enhet; kjølevæsken sprayes og avkjøles gjennom den varmegenererende enheten i IT-utstyret eller det varmeledende materialet som er koblet til det; den oppvarmede kjølevæsken samles opp gjennom returtanken og pumpes til den kalde distribusjonsenheten for neste kjølesyklus.

1.3 Evolusjon av kjølemetoder i stativkraft

Diagram for utvikling av kjølemetoder

Kraften til et enkelt skap overstiger terskelen for luftkjøling, og væskekjøling er den generelle trenden. I henhold til Vertiv-teknologiens hvitbok er luftkjøling generelt egnet for effekttettheter under 20kW/skap, og væskekjøling har åpenbare fordeler over 20kW. Uten å ta hensyn til faktorer som strømmoduler og nettverksmoduler, forutsatt at 6 AI-treningsservere kan plasseres i et enkelt rack, kan den estimerte effekten til et enkelt rack nå 37.8 kW (2 CPUer med et strømforbruk på 700w og 8 GPUer med en strømforbruk på 5600w); med tanke på varmespredningen til andre moduler i skapet, vil den faktiske effekten til et enkelt skap være høyere. For AI-trenings- og inferensserverskap har kraften til et enkelt kabinett overskredet effekttetthetsområdet som kan dekkes av luftkjøling, og væskekjøling har blitt en generell trend.

2. Diagram for utvikling av kjølemetoder

2.1 Chip Power Surge: Skiftet til æraen med væskekjøling

Sammenlignet med luftkjøling har væskekjøling flere fordeler i varmespredning, energiforbruk, støy og vedlikeholdskostnader. Varmekapasiteten til vann er 4000 ganger luftens, og varmeledningsevnen er 25 ganger luftens. Ved samme strømningshastighet kan den redusere chiptemperaturen mer effektivt. Samtidig kan væskekjølingsteknologi jevnt dekke chipoverflaten og forbedre systemets stabilitet. Væskekjølesystemet trenger kun lav viftehastighet for å opprettholde varmespredningen, slik at støyen kan reduseres med mer enn 60 % sammenlignet med luftkjøling under drift. I tillegg gjør mangelen på lett slitte deler at væskekjølesystemet har lengre levetid.

Væskekjøling vil erstatte luftkjøling som det beste valget. Effekten til et enkelt skap for luftkjøling er 0-30kw, og effekten til et enkelt skap for væskekjøling er 30-200kw, hvorav kaldplaten er 30-80kw og nedsenkingen er 80-200kw. På GTC-konferansen i 2024 ga NVIDIA ut NVL72-kabinettet med en effekt på 120kw. Med den kontinuerlige oppadgående trenden for kraften til et enkelt skap, har luftkjøling gradvis ikke klart å oppfylle kravene til varmespredning, og væskekjøling vil bli hovedtrenden.

2.2 Driving Force Three: Fremveksten av AI-servere gjør flytende kjøleløsninger mer kostnadseffektive

Etterspørselen om AI-datakraft driver totale servermarkedsforsendelser. Siden 2019 har mitt lands serverforsendelser opprettholdt en jevn oppadgående trend, og forventes å nå 4.55 millioner enheter i 2024, en år-til-år økning på 1.3 %. Selv om globale forsendelser vil avta i 2023 på grunn av penetrasjon av dyre AI-servere og utsettelse av generelle serveroppdateringer, forventes den raske veksten i AI-servermarkedet å drive totale markedsforsendelser, som forventes å nå 13.654 millioner enheter i 2024, en år-til-år økning på 19.8 %.

Andelen AI-serverforsendelser har økt år for år, og markedsutsiktene for væskekjølte servere er lovende. I 2023 utgjorde de globale AI-serverforsendelsene 10.4 %, og den innenlandske andelen var 7.9 %, og opprettholder en jevn vekst siden 2020. Det forventes at den globale AI-serverandelen vil øke til 15 % i 2026. I følge IDC, min landets væskekjølte serverforsendelser i 2023 vil være 161,000 45 enheter, noe som utgjør XNUMX % av AI-servermarkedsforsendelsene. Med popularisering og distribusjon av væskekjølte datasentre og støtte fra nasjonale retningslinjer, forventes serverforsendelser å fortsette å vokse.

3. Landskap for Liquid Cooling Market and Industry Chain

3.1 Rask vekst i energilagringsindustrien driver økt etterspørsel etter termiske kontrollsystemer

Den raske utviklingen av det globale storskala lagringsmarkedet er hovedkilden til etterspørsel etter temperaturkontroll, spesielt væskekjølingstemperaturkontroll. Når det gjelder storskala lagring i hjemmemarkedet, basert på forventningen om årlig installert kapasitet for ny energikraftproduksjon, samt veksten i gjennomsnittlig energilagringskonfigurasjonshastighet og konfigurasjonstiden for nye prosjekter, anslår vi at fra 2023 til I 2025 vil den nye installerte kapasiteten for innenlandsk pre-meter energilagring nå henholdsvis 31, 52 og 83 GW.

Når det gjelder global markedslagring, tar vi hensyn til energilagringskonstruksjonsstatusen og byggebehovene til store markeder som Kina, USA, EU, Australia og Japan, anslår vi at fra 2023 til 2025, den globale nye installert kapasiteten til forhåndsmåler energilagring vil nå henholdsvis 90GW, 143GW og 212GW.

Når det gjelder global markedslagring, tar vi hensyn til energilagringskonstruksjonsstatusen og byggebehovene til store markeder som Kina, USA, EU, Australia og Japan, anslår vi at fra 2023 til 2025, den globale nye installert kapasiteten til forhåndsmåler energilagring vil nå henholdsvis 90GW, 143GW og 212GW.