AI banar väg för en ny era inom vätskekylningsindustrin

1. Jämförelse och principer för kylteknik

Vätskekylning vs luftkylning
	lUFTKYLNING	Flytande kylning
Värmeväxlingsmedium	Luft	Flytande
Kör komponenter	Fläkt	Ta bort fläktar
Värmeavledningsförmåga	Generell värmeavledningsförmåga	Bra värmeavledning
Energibesparing och förbrukningsminskning	PUE-värde mindre än 2	PUE-värde inom 1.2
Brus	Högt ljud	Ta bort fläktar, lågt ljud
Konstruktions kostnader	Skåp kan endast ordnas i låg densitet, och skåpen upptar en stor del av datorrummet, vilket kräver traditionell precisionsluftkonditionering och design av varm och kall kanal	Kan ge skåplayoutdesign med hög densitet, minska det ockuperade datorrumsområdet, låg PUE betyder mindre skala av strömförsörjning, distribution och backup-infrastruktur
Platsval	Höga krav på miljöklimat och effektfaktorer	Inte begränsat av luftkvalitet, klimat och energipolitik, kan användas över hela världen

1.1 Luftkylningsteknik

Diagram över luftkylsystemprinciper

Luftkylningsteknik är den vanliga kyltekniken i datacenter. Värmeavledningsprincipen för luftkylda radiatorer är att leda värmen som genereras av det värmealstrande objektet till kylflänsen med större värmekapacitet och värmeavledningsyta genom metallkylflänsen som är i nära kontakt med det värmealstrande objektet ( för datorer är det CPU, GPU och andra halvledarchips), och använd sedan fläktens avledningseffekt för att få luften att passera genom kylflänsens yta snabbt, vilket påskyndar värmekonvektionen mellan kylfläns och luften, det vill säga påtvingad konvektionsvärmeavledning.

1.2 Vätskekylningsteknik

Jämförelse av tre vätskekylningstekniker
	Typ av kall tallrik	Nedsänkningstyp	Spraytyp
Pris	Den kalla plattan kräver många specifikationer, varav de flesta måste anpassas separat, och kostnaden är relativt hög	Använder mer kylvätska, med medelhög kostnad	Genom att modifiera gamla servrar och skåp för att lägga till nödvändiga enheter är kostnaden relativt låg
underhåll	Utmärkt	dålig	Medium
Utnyttjande av utrymme	Hög	Medium	Högsta
Kompatibilitet	Ingen direkt kontakt med moderkortet och chipmodulen, materialkompatibiliteten är stark	Direkt kontakt, dålig materialkompatibilitet	Direkt kontakt, dålig materialkompatibilitet
Enkel installation	Ändrar inte serverns ursprungliga form och behåller det befintliga serverns moderkort, vilket är lätt att installera	Ändrar serverns moderkorts ursprungliga struktur, måste installeras om	Ändrar inte den ursprungliga formen på serverns moderkort, lätt att installera
Återvinningsbarhet	Använder dubbelkretscirkulation för att uppnå sekundär användning av köldmediet och minska driftskostnaderna	Cirkulerar genom utomhuskylningsenheter för att minska driftskostnaderna	Använd en cirkulationspump för att uppnå resursanvändning och minska driftskostnaderna

Flytande kylteknik inkluderar kylplatta, nedsänkning och spraytyper. Bland dem har kylplattans vätskekylningsteknik starka tillämpningsfördelar vad gäller underhåll, utrymmesutnyttjande och kompatibilitet; men när det gäller kostnad, på grund av dess individuellt anpassade kylplatta, är kostnaden för teknikapplikation relativt hög. Sprayvätskekylningsteknik minskar konstruktionskostnaderna för datacenterinfrastruktur avsevärt genom att transformera gamla servrar och skåp. Jämfört med de två andra teknologierna, även om nedsänkningstekniken har sämre underhållsbarhet och kompatibilitet, har den bättre prestanda i utrymmesutnyttjande och återvinningsbarhet, vilket minskar energiförbrukningen i datacenter.

Principdiagram för vätskekylsystem för kylplatta

Kallplattvätskekylning är en beröringsfri vätskekylningsteknik. Denna teknik överför indirekt värmen från värmeanordningen till kylvätskan som är innesluten i cirkulationsrörledningen genom vätskekylplattan (vanligtvis ett slutet hålrum gjord av värmeledande metaller som koppar och aluminium), och tar bort värmen genom kylningen flytande. Kylplattans vätskekylsystem består huvudsakligen av ett kyltorn, CDU, vätskekylledningar på primär och sekundär sida, kylmedium och vätskekylskåp; vätskekylskåpet innehåller en vätskekylplatta, vätskekylningsrörledningar i utrustningen, vätskeanslutningar och vätskefördelare.

Kallplattans vätskekylningsprincip för värmeavledning:
1. Vätskekylplattan är bunden till chipet;
2. Värmen från chiputrustningen överförs till vätskekylplattan genom värmeledning, och arbetsvätskan kommer in i den kalla plattan under drivningen av CDU-cirkulationspumpen och absorberar sedan värme i vätskekylplattan genom förbättrad konvektionsvärmeväxling .

Principdiagram för enfas nedsänkt vätskekylningssystem

Vätskedoppningskylning är en kontaktvätskekylningsteknik. Denna teknik använder kylvätska som värmeöverföringsmedium, nedsänker den värmealstrande enheten helt i kylvätskan och den värmealstrande enheten är i direkt kontakt med kylvätskan och utför värmeväxling. Utesidan av nedsänkningsvätskekylsystemet inkluderar ett kyltorn, ett primärt sidorörnät och ett kylmedel på primärsidan; inomhussidan inkluderar en CDU, en nedsänkningskavitet, IT-utrustning, ett sekundärt sidoledningsnät och en sekundär sidokylvätska. Under användning är IT-utrustningen helt nedsänkt i kylvätskan på sekundärsidan, så den cirkulerande kylvätskan på sekundärsidan behöver använda en icke-ledande vätska, såsom mineralolja, silikonolja, fluorerad vätska etc. Beroende på om kylvätskan ändras i fas under värmeväxlingsprocessen kan den delas upp i enfas nedsänkningsvätskekylning och tvåfas nedsänkningsvätskekylning.

Bland dem genomgår kylvätskan på sekundärsidan av den enfasiga nedsänkningsvätskekylningstekniken som värmeöverföringsmedium endast temperaturförändringar under värmeöverföringsprocessen, och det finns ingen fasförändring. Processen förlitar sig helt på den förnuftiga värmeförändringen av materialet för att överföra värme.

Tvåfas nedsänkt vätskekylningssystem

Vid tvåfas nedsänkningsvätskekylning genomgår det sekundära kylmediet, som fungerar som ett värmeöverföringsmedium, en fasförändring under värmeöverföringsprocessen och överför värme genom att förlita sig på den latenta värmeförändringen av ämnet. Dess värmeöverföringsväg är i princip densamma som för enfas nedsänkningsvätskekylning. Huvudskillnaden är att den sekundära kylvätskan bara cirkulerar inuti nedsänkningshåligheten, och den övre delen av nedsänkningskaviteten är ett gasformigt område och botten är ett flytande område: IT-utrustningen är helt nedsänkt i den flytande kylvätskan med låg kokpunkt, och det flytande kylmedlet absorberar värmen från utrustningen och kokar. Den gasformiga högtemperaturkylvätskan som produceras genom förångning kommer gradvis att samlas i toppen av nedsänkningshålan på grund av dess låga densitet och kondenseras till ett flytande kylmedel med låg temperatur efter värmeväxling med kondensorn installerad på toppen, och strömma sedan tillbaka till botten av kaviteten under inverkan av gravitationen för att uppnå värmeavledning av IT-utrustningen.

Principdiagram för sprayvätskekylsystem

Sprayvätskekylning är en form av vätskekylning som sprutar exakt på enheter på spånnivå och direkt sprutar kylvätska på värmealstrande enheter eller värmeledande element som är anslutna till dem genom gravitation eller systemtryck. Det är ett vätskekylsystem med direkt kontakt. Sprayvätskekylsystemet består huvudsakligen av ett kyltorn, CDU, primära och sekundära vätskekylningsrörledningar, kylmedium och sprayvätskekylskåp; sprayvätskekylskåpet innehåller vanligtvis ett rörledningssystem, ett vätskedistributionssystem, en spraymodul, ett vätskeretursystem, etc.

Principen för sprayvätskekylsystemet: kylvätskan som kyls i den kalla distributionsenheten pumpas till insidan av sprayskåpet genom rörledningen; efter att ha kommit in i skåpet kommer kylvätskan direkt in i vätskefördelningsanordningen som motsvarar servern genom vätskefördelaren, eller så transporteras kylvätskan till vätskeinloppstanken för att tillhandahålla en fast mängd gravitationspotentialenergi för att driva kylvätskan att spruta genom vätskan distributionsanordning; kylvätskan sprutas och kyls genom den värmealstrande enheten i IT-utrustningen eller det värmeledande materialet som är anslutet till den; den uppvärmda kylvätskan kommer att samlas upp genom returtanken och pumpas till kyldistributionsenheten för nästa kylcykel.

1.3 Utveckling av kylmetoder i rackkraft

Diagram för utveckling av kylningsmetoder

Kraften hos ett enda skåp överstiger tröskeln för luftkylning, och vätskekylning är den allmänna trenden. Enligt vitboken från Vertiv technology är luftkylning i allmänhet lämplig för effekttätheter under 20kW/skåp, och vätskekylning har uppenbara fördelar över 20kW. Utan att ta hänsyn till faktorer som strömmoduler och nätverksmoduler, förutsatt att 6 AI-träningsservrar kan placeras i ett enda rack, kan den uppskattade effekten för ett enda rack nå 37.8 kW (2 processorer med en strömförbrukning på 700w och 8 GPU:er med en strömförbrukning på 5600w); med tanke på värmeavledningen från andra moduler i skåpet, blir den faktiska effekten av ett enskilt skåp högre. För AI-tränings- och inferensserverskåp har kraften i ett enda skåp överskridit det effekttäthetsintervall som kan täckas av luftkylning, och vätskekylning har blivit en allmän trend.

2. Diagram för utveckling av kylningsmetoder

2.1 Chip Power Surge: Skiftet till eran av vätskekylning

Jämfört med luftkylning har flytande kylning fler fördelar i värmeavledning, energiförbrukning, buller och underhållskostnader. Vattnets värmekapacitet är 4000 gånger den för luft, och värmeledningsförmågan är 25 gånger den för luft. Med samma flödeshastighet kan den sänka flistemperaturen mer effektivt. Samtidigt kan flytande kylteknik jämnt täcka spånytan och förbättra systemets stabilitet. Vätskekylsystemet behöver bara en låg fläkthastighet för att upprätthålla värmeavledning, så ljudet kan reduceras med mer än 60 % jämfört med luftkylning under drift. Dessutom gör bristen på lättnötta delar att vätskekylsystemet får en längre livslängd.

Vätskekylning kommer att ersätta luftkylning som det bästa valet. Effekten av ett enstaka skåp för luftkylning är 0-30kw, och effekten av ett enda skåp för vätskekylning är 30-200kw, varav kylplattan är 30-80kw och nedsänkningen är 80-200kw. På GTC-konferensen 2024 släppte NVIDIA NVL72-skåpet med en effekt på 120kw. Med den kontinuerliga uppåtgående trenden för kraften i ett enda skåp har luftkylning gradvis misslyckats med att uppfylla kraven på värmeavledning, och vätskekylning kommer att bli den vanliga trenden.

2.2 Drivkraft tre: ökningen av AI-servrar gör flytande kylningslösningar mer kostnadseffektiva

Efterfrågan på AI-datorkraft driver totala servermarknadsförsändelser. Sedan 2019 har mitt lands serverleveranser upprätthållit en stadig uppåtgående trend och förväntas nå 4.55 miljoner enheter 2024, en ökning med 1.3 % från år till år. Även om de globala leveranserna kommer att minska under 2023 på grund av penetrationen av högkostnadsservrar för AI och senareläggningen av allmänna serveruppdateringar, förväntas den snabba tillväxten av AI-servermarknaden driva på de totala marknadsförsändelserna, som förväntas nå 13.654 miljoner enheter i 2024, en ökning på 19.8 % jämfört med föregående år.

Andelen AI-serverförsändelser har ökat år för år, och marknadsutsikterna för vätskekylda servrar är lovande. 2023 stod de globala AI-serverleveranserna för 10.4 %, och den inhemska andelen var 7.9 %, vilket bibehåller en stadig tillväxt sedan 2020. Det förväntas att den globala AI-serverandelen kommer att öka till 15 % 2026. Enligt IDC, min landets vätskekylda serverleveranser 2023 kommer att vara 161,000 45 enheter, vilket står för XNUMX % av AI-servermarknadsförsändelserna. Med populariseringen och utbyggnaden av vätskekylda datacenter och stödet av nationella policyer förväntas serverleveranserna fortsätta att växa.

3. Landskap för vätskekylningsmarknaden och industrikedjan

3.1 Snabb tillväxt inom energilagringsindustrin driver ökad efterfrågan på termiska styrsystem

Den snabba utvecklingen av den globala storskaliga lagringsmarknaden är den främsta källan till efterfrågan på temperaturkontroll, särskilt vätskekylningstemperaturkontroll. När det gäller storskalig lagring på hemmamarknaden, baserat på förväntningarna om årlig ny installerad kapacitet för energiproduktion av energi, samt tillväxten av den genomsnittliga energilagringskonfigurationshastigheten och konfigurationstiden för nya projekt, uppskattar vi att från 2023 till 2025 kommer den nya installerade kapaciteten för inhemsk förmätare energilagring att nå 31, 52 respektive 83 GW.

När det gäller lagring av globala marknader, med hänsyn till energilagringskonstruktionens status och konstruktionsbehov på stora marknader som Kina, USA, EU, Australien och Japan, uppskattar vi att från 2023 till 2025, den globala nyinstallerade kapaciteten för förmätare energilagring kommer att nå 90GW, 143GW respektive 212GW.

När det gäller lagring av globala marknader, med hänsyn till energilagringskonstruktionens status och konstruktionsbehov på stora marknader som Kina, USA, EU, Australien och Japan, uppskattar vi att från 2023 till 2025, den globala nyinstallerade kapaciteten för förmätare energilagring kommer att nå 90GW, 143GW respektive 212GW.