Sztuczna inteligencja otwiera drogę do nowej ery w branży chłodzenia cieczą

1. Porównanie technologii chłodzenia i zasady

Chłodzenie cieczą a chłodzenie powietrzem
	Chłodzenie powietrzem	Chłodzenie cieczą
Medium wymiany ciepła	powietrze	Ciecz
Elementy napędowe	Wentylator	Usuń wentylatory
Zdolność odprowadzania ciepła	Ogólna zdolność rozpraszania ciepła	Dobre odprowadzanie ciepła
Oszczędność energii i redukcja zużycia	Wartość PUE mniejsza niż 2	Wartość PUE w granicach 1.2
Hałas	Wysoki poziom hałasu	Usuń wentylatory, niski poziom hałasu
Koszt budowy	Szafy można ustawiać tylko w niskiej gęstości, a szafy zajmują dużą powierzchnię pomieszczenia komputerowego, co wymaga tradycyjnej precyzyjnej klimatyzacji i konstrukcji kanałów ciepłego i zimnego	Możliwość zastosowania układu szaf o dużej gęstości, zmniejszenie zajmowanej powierzchni pomieszczenia komputerowego, niski współczynnik PUE oznacza mniejszą skalę infrastruktury zasilania, dystrybucji i tworzenia kopii zapasowych
Wybór strony	Wysokie wymagania dotyczące klimatu środowiskowego i współczynników mocy	Nieograniczony polityką dotyczącą jakości powietrza, klimatu i energii, może być stosowany na całym świecie

1.1 Technologia chłodzenia powietrzem

Schemat zasad działania układu chłodzenia powietrzem

Technologia chłodzenia powietrzem jest główną technologią chłodzenia w centrach danych. Zasada rozpraszania ciepła w chłodzonych powietrzem radiatorach polega na przewodzeniu ciepła wytwarzanego przez obiekt generujący ciepło do radiatora o większej pojemności cieplnej i powierzchni rozpraszania ciepła przez metalowy radiator, który znajduje się w bliskim kontakcie z obiektem generującym ciepło (w przypadku komputerów jest to procesor, procesor graficzny i inne układy półprzewodnikowe), a następnie wykorzystaniu efektu dywersji wentylatora, aby powietrze szybko przeszło przez powierzchnię radiatora, przyspieszając konwekcję ciepła między radiatorem a powietrzem, czyli wymuszone rozpraszanie ciepła konwekcyjnego.

1.2 Technologia chłodzenia cieczą

Porównanie trzech technologii chłodzenia cieczą
	Typ zimnej płyty	Typ zanurzeniowy	Rodzaj natrysku
Koszty:	Płyta chłodząca wymaga wielu specyfikacji, z których większość musi zostać dostosowana osobno, a jej koszt jest stosunkowo wysoki	Zużywa więcej chłodziwa, przy średnich kosztach	Dzięki modyfikacji starych serwerów i szaf w celu dodania niezbędnych urządzeń, koszty są stosunkowo niskie
Łatwość utrzymania	Doskonały	Słaby	Średni
Wykorzystanie przestrzeni	Wysoki	Średni	Najwyższa
zgodność	Brak bezpośredniego kontaktu z płytą główną i modułem chipa, wysoka kompatybilność materiałowa	Bezpośredni kontakt, słaba kompatybilność materiałów	Bezpośredni kontakt, słaba kompatybilność materiałów
Łatwość instalacji	Nie zmienia oryginalnej formy serwera i zachowuje istniejącą płytę główną serwera, która jest łatwa w instalacji	Zmienia oryginalną strukturę płyty głównej serwera, wymaga ponownej instalacji	Nie zmienia oryginalnej formy płyty głównej serwera, łatwa instalacja
Recykling	Wykorzystuje obieg dwuobwodowy w celu wtórnego wykorzystania czynnika chłodniczego i obniżenia kosztów eksploatacji	Przepływa przez zewnętrzne urządzenia chłodzące w celu zmniejszenia kosztów eksploatacji	Użyj pompy obiegowej, aby uzyskać ponowne wykorzystanie zasobów i zmniejszyć koszty operacyjne

Technologie chłodzenia cieczą obejmują typy cold plate, immersyjne i natryskowe. Spośród nich technologia chłodzenia cieczą cold plate ma silne zalety w zakresie konserwacji, wykorzystania przestrzeni i kompatybilności; ale pod względem kosztów, ze względu na indywidualnie dostosowane urządzenie cold plate, koszt zastosowania technologii jest stosunkowo wysoki. Technologia chłodzenia cieczą natryskową znacznie obniża koszty budowy infrastruktury centrów danych poprzez transformację starych serwerów i szaf. W porównaniu z pozostałymi dwiema technologiami, chociaż technologia zanurzeniowa ma gorszą konserwację i kompatybilność, ma lepszą wydajność w zakresie wykorzystania przestrzeni i możliwości recyklingu, zmniejszając zużycie energii w centrach danych.

Schemat zasadniczy układu chłodzenia cieczą Cold Plate

Chłodzenie cieczą z zimną płytą to bezkontaktowa technologia chłodzenia cieczą. Technologia ta pośrednio przenosi ciepło urządzenia grzewczego do cieczy chłodzącej zamkniętej w rurociągu cyrkulacyjnym przez płytę chłodzącą ciecz (zwykle zamkniętą wnękę wykonaną z metali przewodzących ciepło, takich jak miedź i aluminium) i odbiera ciepło za pomocą cieczy chłodzącej. System chłodzenia cieczą z zimną płytą składa się głównie z wieży chłodniczej, CDU, pierwotnych i wtórnych rurociągów chłodzenia cieczą, czynnika chłodzącego i szafy chłodzenia cieczą; szafa chłodzenia cieczą zawiera płytę chłodzącą cieczą, rurociągi chłodzenia cieczą w urządzeniu, złącza cieczy i dystrybutory cieczy.

Zasada odprowadzania ciepła za pomocą chłodzenia cieczą zimną płytą:
1. Płytka chłodząca cieczą jest połączona z układem scalonym;
2. Ciepło z układu scalonego jest przenoszone na płytę chłodzącą cieczą poprzez przewodzenie ciepła, a płyn roboczy wpływa do płyty chłodzącej pod napędem pompy cyrkulacyjnej CDU, a następnie pochłania ciepło w płycie chłodzącej cieczą poprzez wzmocnioną konwekcyjną wymianę ciepła.

Schemat zasadniczy jednofazowego układu chłodzenia cieczą zanurzeniową

Chłodzenie zanurzeniowe cieczą to technologia chłodzenia cieczą kontaktową. Technologia ta wykorzystuje chłodziwo jako medium przenoszące ciepło, całkowicie zanurza urządzenie generujące ciepło w chłodziwie, a urządzenie generujące ciepło jest w bezpośrednim kontakcie z chłodziwem i wykonuje wymianę ciepła. Zewnętrzna strona układu chłodzenia cieczą zanurzeniową obejmuje wieżę chłodniczą, sieć rur strony pierwotnej i chłodziwo strony pierwotnej; strona wewnętrzna obejmuje CDU, wnękę zanurzeniową, sprzęt IT, sieć rur strony wtórnej i chłodziwo strony wtórnej. Podczas użytkowania sprzęt IT jest całkowicie zanurzony w chłodziwie strony wtórnej, więc chłodziwo strony wtórnej musi wykorzystywać nieprzewodzącą ciecz, taką jak olej mineralny, olej silikonowy, ciecz fluorowana itp. W zależności od tego, czy chłodziwo zmienia fazę podczas procesu wymiany ciepła, można je podzielić na jednofazowe chłodzenie cieczą zanurzeniową i dwufazowe chłodzenie cieczą zanurzeniową.

Wśród nich, chłodziwo wtórne technologii chłodzenia cieczą zanurzeniową jednofazową jako medium przenoszące ciepło podlega jedynie zmianom temperatury podczas procesu przenoszenia ciepła i nie zachodzi żadna zmiana fazy. Proces ten całkowicie opiera się na odczuwalnej zmianie ciepła materiału w celu przenoszenia ciepła.

Dwufazowy system chłodzenia cieczą zanurzeniową

W dwufazowym zanurzeniowym chłodzeniu cieczą, wtórny czynnik chłodzący, który służy jako medium przenoszące ciepło, ulega zmianie fazy podczas procesu przenoszenia ciepła i przenosi ciepło, polegając na utajonej zmianie ciepła substancji. Jego ścieżka przenoszenia ciepła jest zasadniczo taka sama jak w jednofazowym zanurzeniowym chłodzeniu cieczą. Główną różnicą jest to, że wtórny czynnik chłodzący krąży tylko wewnątrz wnęki zanurzeniowej, a górna część wnęki zanurzeniowej jest obszarem gazowym, a dolna częścią ciekłym: sprzęt IT jest całkowicie zanurzony w niskowrzącym ciekłym czynniku chłodzącym, a ciekły czynnik chłodzący pochłania ciepło sprzętu i wrze. Wysokotemperaturowy gazowy czynnik chłodzący wytwarzany przez parowanie będzie stopniowo zbierał się na górze wnęki zanurzeniowej ze względu na swoją niską gęstość i skrapla się do niskotemperaturowego ciekłego czynnika chłodzącego po wymianie ciepła z zainstalowanym na górze skraplaczem, a następnie będzie płynął z powrotem na dno wnęki pod wpływem grawitacji, aby osiągnąć rozproszenie ciepła sprzętu IT.

Schemat zasadniczy układu chłodzenia cieczą natryskową

Chłodzenie cieczą natryskową to forma chłodzenia cieczą, która precyzyjnie rozpyla chłodziwo na urządzeniach na poziomie chipa i bezpośrednio rozpyla chłodziwo na urządzeniach generujących ciepło lub elementach przewodzących ciepło połączonych z nimi przez grawitację lub ciśnienie systemowe. Jest to system chłodzenia cieczą z bezpośrednim kontaktem. System chłodzenia cieczą natryskową składa się głównie z wieży chłodniczej, CDU, pierwotnych i wtórnych rurociągów chłodzących ciecz, czynnika chłodzącego i szafy chłodzenia cieczą natryskową; szafa chłodzenia cieczą natryskową zwykle obejmuje system rurociągów, system dystrybucji cieczy, moduł natryskowy, system powrotu cieczy itp.

Zasada działania układu chłodzenia cieczą natryskową: chłodziwo schłodzone w jednostce dystrybucji zimna jest pompowane do wnętrza szafy natryskowej przez rurociąg; po wejściu do szafy chłodziwo bezpośrednio dostaje się do urządzenia dystrybucji cieczy odpowiadającego serwerowi przez dystrybutor cieczy lub chłodziwo jest transportowane do zbiornika wlotowego cieczy w celu zapewnienia ustalonej ilości energii potencjalnej grawitacyjnej, aby napędzać chłodziwo do rozpylania przez urządzenie dystrybucji cieczy; chłodziwo jest rozpylane i chłodzone przez urządzenie generujące ciepło w sprzęcie IT lub podłączony do niego materiał przewodzący ciepło; ogrzane chłodziwo zostanie zebrane przez zbiornik powrotny i przepompowane do jednostki dystrybucji zimna w celu następnego cyklu chłodzenia.

1.3 Ewolucja metod chłodzenia w szafach zasilających

Diagram ewolucji metod chłodzenia

Moc pojedynczej szafy przekracza próg chłodzenia powietrzem, a chłodzenie cieczą jest ogólną tendencją. Zgodnie z białą księgą technologii Vertiv, chłodzenie powietrzem jest ogólnie odpowiednie dla gęstości mocy poniżej 20 kW/szafę, a chłodzenie cieczą ma oczywiste zalety powyżej 20 kW. Bez uwzględnienia czynników, takich jak moduły zasilania i moduły sieciowe, zakładając, że 6 serwerów szkoleniowych AI można umieścić w jednej szafie, szacowana moc pojedynczej szafy może osiągnąć 37.8 kW (2 procesory o poborze mocy 700 W i 8 procesorów graficznych o poborze mocy 5600 W); biorąc pod uwagę rozpraszanie ciepła innych modułów w szafie, rzeczywista moc pojedynczej szafy będzie wyższa. W przypadku szaf serwerów szkoleniowych AI i wnioskowania moc pojedynczej szafy przekroczyła zakres gęstości mocy, który można pokryć chłodzeniem powietrznym, a chłodzenie cieczą stało się ogólną tendencją.

2. Diagram ewolucji metod chłodzenia

2.1 Wzrost mocy układu scalonego: przejście do ery chłodzenia cieczą

W porównaniu z chłodzeniem powietrznym, chłodzenie cieczą ma więcej zalet w zakresie rozpraszania ciepła, zużycia energii, hałasu i kosztów konserwacji. Pojemność cieplna wody jest 4000 razy większa niż powietrza, a przewodność cieplna jest 25 razy większa niż powietrza. Przy tej samej szybkości przepływu może ona skuteczniej obniżyć temperaturę układu scalonego. Jednocześnie technologia chłodzenia cieczą może równomiernie pokryć powierzchnię układu scalonego i poprawić stabilność systemu. System chłodzenia cieczą potrzebuje tylko niskiej prędkości wentylatora, aby utrzymać rozpraszanie ciepła, więc hałas można zmniejszyć o ponad 60% w porównaniu z chłodzeniem powietrznym podczas pracy. Ponadto brak łatwo zużywających się części sprawia, że ​​system chłodzenia cieczą ma dłuższą żywotność.

Chłodzenie cieczą zastąpi chłodzenie powietrzem jako najlepszy wybór. Moc pojedynczej szafy do chłodzenia powietrzem wynosi 0-30 kW, a moc pojedynczej szafy do chłodzenia cieczą wynosi 30-200 kW, z czego płyta chłodząca ma 30-80 kW, a zanurzenie 80-200 kW. Na konferencji GTC 2024 firma NVIDIA wypuściła szafę NVL72 o mocy 120 kW. Wraz z ciągłym wzrostem mocy pojedynczej szafy, chłodzenie powietrzem stopniowo przestało spełniać wymagania dotyczące odprowadzania ciepła, a chłodzenie cieczą stanie się głównym trendem.

2.2 Siła napędowa numer trzy: Rozwój serwerów AI sprawia, że ​​rozwiązania chłodzenia cieczą stają się bardziej opłacalne

Zapotrzebowanie na moc obliczeniową AI napędza całkowite dostawy na rynku serwerów. Od 2019 r. dostawy serwerów w moim kraju utrzymują stały trend wzrostowy i oczekuje się, że osiągną 4.55 mln sztuk w 2024 r., co oznacza wzrost o 1.3% w ujęciu rok do roku. Chociaż globalne dostawy spadną w 2023 r. z powodu penetracji drogich serwerów AI i odroczenia ogólnych aktualizacji serwerów, oczekuje się, że szybki wzrost rynku serwerów AI będzie napędzał całkowite dostawy rynkowe, które mają osiągnąć 13.654 mln sztuk w 2024 r., co oznacza wzrost o 19.8% w ujęciu rok do roku.

Udział dostaw serwerów AI wzrastał z roku na rok, a perspektywy rynkowe dla serwerów chłodzonych cieczą są obiecujące. W 2023 r. globalne dostawy serwerów AI stanowiły 10.4%, a udział krajowy wyniósł 7.9%, utrzymując stały wzrost od 2020 r. Oczekuje się, że globalny udział serwerów AI wzrośnie do 15% w 2026 r. Według IDC dostawy serwerów chłodzonych cieczą w moim kraju w 2023 r. wyniosą 161,000 45 jednostek, co stanowi XNUMX% dostaw na rynku serwerów AI. Wraz z popularyzacją i wdrażaniem centrów danych chłodzonych cieczą oraz wsparciem polityk krajowych, oczekuje się, że dostawy serwerów będą nadal rosły.

3. Krajobraz rynku chłodzenia cieczą i łańcucha przemysłowego

3.1 Szybki wzrost w branży magazynowania energii powoduje wzrost popytu na systemy kontroli termicznej

Szybki rozwój globalnego rynku magazynowania na dużą skalę jest głównym źródłem popytu na kontrolę temperatury, zwłaszcza kontrolę temperatury chłodzenia cieczą. Jeśli chodzi o magazynowanie na dużą skalę na rynku krajowym, w oparciu o oczekiwania dotyczące rocznej nowej zainstalowanej mocy wytwórczej energii, a także wzrostu średniego tempa konfiguracji magazynowania energii i czasu konfiguracji nowych projektów, szacujemy, że w latach 2023–2025 nowa zainstalowana moc krajowego magazynowania energii przed licznikiem osiągnie odpowiednio 31, 52 i 83 GW.

Jeśli chodzi o globalny rynek magazynowania, biorąc pod uwagę stan budowy magazynów energii i potrzeby budowlane głównych rynków, takich jak Chiny, Stany Zjednoczone, Unia Europejska, Australia i Japonia, szacujemy, że w latach 2023–2025 globalna nowa zainstalowana moc magazynów energii przedlicznikowej osiągnie odpowiednio 90 GW, 143 GW i 212 GW.

Jeśli chodzi o globalny rynek magazynowania, biorąc pod uwagę stan budowy magazynów energii i potrzeby budowlane głównych rynków, takich jak Chiny, Stany Zjednoczone, Unia Europejska, Australia i Japonia, szacujemy, że w latach 2023–2025 globalna nowa zainstalowana moc magazynów energii przedlicznikowej osiągnie odpowiednio 90 GW, 143 GW i 212 GW.