новости

Каковы последние тенденции в двухфазном охлаждении для центров обработки данных?

Прямой ответ: Двухфазные технологии охлаждения, в частности иммерсионное охлаждение и охлаждение с прямым контактом к чипу (холодная пластина), переходят от нишевых исследовательских концепций к массовому внедрению благодаря способности справляться с плотностью теплового потока, превышающей 1000 Вт/см², что невозможно для традиционного воздушного охлаждения. Иммерсионное охлаждение предпочтительно для полного повторного использования тепла объекта и экстремальной плотности, в то время как охлаждение с прямым контактом к чипу в настоящее время является предпочтительным решением для модернизации существующих ИИ-кластеров из-за более низкой стоимости жидкости и более простого обслуживания. Ожидается, что к 2027 году более 20% новых мощностей центров обработки данных будут использовать ту или иную форму двухфазного жидкостного охлаждения, по сравнению с менее чем 5% в 2023 году.

Чем различаются двухфазные иммерсионные системы и системы с прямым контактом к чипу в работе?

Иммерсионное охлаждение полностью погружает серверы (материнские платы, процессоры, графические процессоры, блоки питания) в ванну с диэлектрической жидкостью. Жидкость закипает при низкой температуре (обычно 50-60°C для специально разработанных жидкостей), поглощая тепло непосредственно при переходе из жидкого состояния в пар. Пар поднимается вверх, попадает на змеевик конденсатора в крышке резервуара и возвращается в жидкое состояние. Это пассивный процесс, основанный на термосифонном эффекте, не требующий насосов внутри резервуара.

Охлаждение с прямым контактом к чипу, напротив, использует герметичную холодную пластину, установленную непосредственно на кристалл процессора или графического процессора. Диэлектрическая рабочая жидкость (часто фторкетон или специализированный хладагент) протекает через микроканалы внутри пластины. Тепло проходит через термоинтерфейсный материал (TIM), попадает в пластину и испаряет жидкость. Затем пар транспортируется к выносному конденсаторному блоку, который представляет собой отдельный стоечный теплообменник, отдающий тепло воде инженерных систем объекта.

Ключевое эксплуатационное различие заключается в тепловом пути. Иммерсионное охлаждение имеет более короткий тепловой путь (жидкость контактирует с платой), но требует большого объема резервуара (500-1000 литров на стойку). Охлаждение с прямым контактом к чипу имеет более длинный путь через TIM и пластину, но использует гораздо меньше жидкости (10-20 литров на стойку) и позволяет извлекать отдельные серверы без слива жидкости из резервуара.

Каковы реальные пределы тепловых характеристик и температуры?

Тепловые характеристики двухфазных систем определяются коэффициентом теплоотдачи при кипении и термическим сопротивлением системы. Для охлаждения с прямым контактом к чипу холодная пластина может достигать термического сопротивления 0,01°C·см²/Вт или ниже. Это означает, что графический процессор мощностью 500 Вт может поддерживаться при температуре перехода 75°C при температуре насыщения жидкости 60°C.

Иммерсионное охлаждение имеет немного более высокое термическое сопротивление из-за конвекции в резервуаре с жидкостью, обычно 0,02-0,04°C·см²/Вт. Однако, поскольку вся плата погружена в жидкость, система одновременно отводит тепло от регуляторов напряжения, памяти и сетевых коммутаторов, что является значительным преимуществом. На практике иммерсионные системы могут выдерживать тепловую нагрузку серверов 2000-4000 Вт на корпус, эквивалентный 1U, в то время как охлаждение с прямым контактом к чипу ограничено площадью кристалла и выдерживает 1000-2000 Вт на сокет.

Температура насыщения жидкости является основным управляющим параметром. Для типичной однофазной диэлектрической жидкости температура кипения определяется химическим составом жидкости. Например, 3M Novec 649 имеет температуру кипения 49°C, в то время как специализированный хладагент, такой как R1233zd(E), кипит при 18°C. Рабочая температура должна соответствовать пределам компонентов сервера; большинство современных процессоров могут работать при температуре корпуса 85°C, что дает запас в 25-30°C выше температуры кипения жидкости. Этот запас необходим для испарения жидкости без перегрева кристалла.

Какие отрасли внедряют двухфазное охлаждение первыми?

Основными пользователями являются гиперскейл-провайдеры облачных услуг, объекты обучения ИИ и фирмы высокочастотной торговли (HFT). Причина проста: плотность мощности. Стандартная стойка 42U с воздушным охлаждением может рассеивать 10-15 кВт. Стойка для обучения ИИ с 8 графическими процессорами H100 может потреблять 70-100 кВт. Воздушное охлаждение физически не может переместить такое количество тепла без огромных скоростей воздушного потока, вызывающих акустический шум и вибрацию.

Индустрия HFT первой внедрила иммерсионное охлаждение в начале 2010-х годов, поскольку им требовался разгон процессоров для сверхнизкой задержки (микросекунды), а запас по охлаждению позволял достигать более высоких тактовых частот. Сегодня нефтегазовый суперкомпьютерный сектор использует иммерсионное охлаждение для обработки сейсмических данных. Наиболее быстрый рост наблюдается в секторе ИИ, где такие компании, как NVIDIA, сертифицировали свои графические процессоры A100 и H100 для охлаждения как с прямым контактом к чипу, так и для иммерсионного охлаждения. Правительственные лаборатории и национальные суперкомпьютерные центры (например, EuroHPC JU) также указывают двухфазные системы для своих экзафлопсных машин, которым требуется мощность охлаждения 30-60 МВт.

Почему стоит выбрать иммерсионное охлаждение вместо охлаждения с прямым контактом к чипу?

Выбирайте иммерсионное охлаждение, если ваше предприятие является новым строительством или крупной реконструкцией существующего объекта, и вашей основной целью является максимальное повторное использование тепла или максимальная плотность стоек. Иммерсионное охлаждение позволяет достичь плотности стоек 100-150 кВт на резервуар. Оно также полностью исключает вентиляторы серверов, что экономит 15-20% энергопотребления серверов. Диэлектрическая жидкость также защищает от коррозии и пыли, продлевая срок службы серверов на 2-3 года.

Эксплуатационное преимущество заключается в контуре конденсатора. Испаренная жидкость конденсируется при температуре 50-60°C, что означает, что обратная вода инженерных систем объекта может иметь температуру 45-50°C. Это высокопотенциальное тепло может использоваться непосредственно для отопления зданий, абсорбционных чиллеров или сетей централизованного теплоснабжения, достигая показателя эффективности использования энергии (PUE) 1,02-1,05.

Недостатками являются стоимость и вес жидкости. Один иммерсионный резервуар 42U требует 800-1200 литров диэлектрической жидкости. При стоимости 15-25 долларов за литр только жидкость обходится в 12 000-30 000 долларов на стойку. Сам резервуар добавляет 500-800 кг веса, требуя усиленного пола.

Почему стоит выбрать охлаждение с прямым контактом к чипу вместо иммерсионного?

Выбирайте охлаждение с прямым контактом к чипу, если у вас есть существующий центр обработки данных с воздушным охлаждением, и вы хотите модернизировать серверы ИИ без замены всей архитектуры объекта. Охлаждение с прямым контактом к чипу требует минимальных изменений в корпусе сервера, только новой холодной пластины и подключений жидкости. Объем жидкости невелик (10-20 литров на стойку), поэтому капитальные затраты значительно ниже.

Обслуживаемость превосходная. Если графический процессор выходит из строя, вы можете отключить стойку, отсоединить жидкостные линии, извлечь отдельный сервер и заменить его менее чем за 15 минут. При иммерсионном охлаждении необходимо поднять весь сервер из жидкости, дать ей стечь (что занимает 20-30 минут), а затем обслуживать его. Охлаждение с прямым контактом к чипу также допускает гибридную работу: вы можете сохранить воздушное охлаждение для памяти и хранилища и использовать двухфазное охлаждение только для мощных процессоров и графических процессоров.

Основным недостатком является то, что для остальных компонентов платы по-прежнему требуется среда с воздушным охлаждением. Это означает, что вам все еще нужны CRAC-установки, но их можно уменьшить на 60-70%. PUE системы обычно составляет 1,10-1,15, что выше, чем при иммерсионном охлаждении, но намного лучше, чем 1,3-1,5 при традиционном воздушном охлаждении.

Каковы различия в стоимости компонентов системы и жидкостей?

Структура затрат определяется диэлектрической жидкостью и теплообменником. В таблице ниже приведены реальные оценки затрат для ИТ-нагрузки 200 кВт при развертывании на 10 стоек.

Данные показывают, что иммерсионное охлаждение в 2-3 раза дороже на начальном этапе из-за объема жидкости. Однако иммерсионное охлаждение экономит 0,01-0,02 доллара за кВт·ч на энергии охлаждения и исключает потребление энергии вентиляторами, что может компенсировать более высокие капитальные затраты в течение 3-5 лет.

Как управление жидкостью и техническое обслуживание влияют на эксплуатацию?

Управление жидкостью является наиболее недооцененной эксплуатационной проблемой. При иммерсионном охлаждении жидкость со временем деградирует из-за выщелачивания ионов металлов и термического разложения. Вы должны ежеквартально проверять кислотность жидкости (pH), диэлектрическую прочность (должна быть >40 кВ/мм) и содержание влаги. Если диэлектрическая прочность падает ниже 30 кВ/мм, вы должны заменить жидкость или использовать систему фильтрации с активированным углем.

Для прямого контакта к чипу жидкость находится в герметичном контуре, но под давлением. Вы должны проверять утечки хладагента (с помощью электронного детектора утечек) каждые 6 месяцев. Термоинтерфейсный материал (TIM) между кристаллом и холодной пластиной также деградирует при тепловых циклах; вы должны заменять TIM каждые 2-3 года для поддержания сопротивления 0,01°C·см²/Вт.

Стоимость технического обслуживания составляет примерно 5-8% от первоначальной стоимости системы в год. Это выше, чем при воздушном охлаждении (3-4%), но ниже, чем стоимость простоя из-за перегрева графического процессора, которая может составлять 500-1000 долларов в час потерянного вычислительного времени.

Может ли двухфазное охлаждение работать с существующими объектами с воздушным охлаждением?

Да, но с определенными ограничениями. Прямой контакт к чипу является готовым решением для модернизации существующих стоек при условии, что на вашем объекте есть контур охлажденной воды (7-12°C) или контур конденсаторной воды (30-35°C). Выносной конденсатор может отдавать тепло воде объекта при 40-50°C. Вам потребуется установить вторичный насосный модуль и сухую градирню, если температура воды на объекте превышает 35°C.

Иммерсионное охлаждение труднее модернизировать, поскольку резервуары тяжелые и требуют фальшпола с повышенной несущей способностью (не менее 1500 кг/м²). Вам также понадобится защитный поддон вокруг резервуаров для сбора проливов. Большинство существующих центров обработки данных имеют допустимую нагрузку на пол 600-800 кг/м², поэтому вам потребуется разместить резервуары на стальной раме, распределяющей нагрузку.

Наиболее практичный путь модернизации — развернуть охлаждение с прямым контактом к чипу на стойках ИИ (20-30% ваших стоек) и сохранить воздушное охлаждение для остальных. Это позволяет добавить 50-100 кВт вычислительной мощности ИИ без строительства нового объекта.

Часто задаваемые вопросы

Какой максимальный тепловой поток может выдержать двухфазное охлаждение?

Холодные пластины с прямым контактом к чипу могут выдерживать до 1000 Вт/см² для одного кристалла. Иммерсионное охлаждение выдерживает более низкий тепловой поток (до 100 Вт/см²), но отводит тепло с большей площади поверхности. Для графического процессора мощностью 700 Вт требуется прямой контакт к чипу; иммерсионное охлаждение больше подходит для процессоров мощностью 300-500 Вт и памяти высокой плотности.

Безопасна ли диэлектрическая жидкость для электронных компонентов?

Да, инженерные жидкости, такие как фторкетоны и специализированные гидрофторэфиры, являются непроводящими (диэлектрическая прочность >40 кВ/мм) и химически инертными по отношению к припою, ламинатам печатных плат и конденсаторам. Они также негорючи (класс 1 по ASDRA). Они могут растворять некоторые клеи и пластмассы, поэтому все компоненты сервера должны быть проверены на совместимость материалов.

Как долго служит двухфазная система охлаждения?

Аппаратное обеспечение (резервуары, холодные пластины, конденсаторы) рассчитано на срок службы 10-15 лет. Жидкость, однако, требует замены каждые 5-7 лет для иммерсионного охлаждения (из-за загрязнения) и каждые 8-10 лет для прямого контакта к чипу (герметичный контур). Насосы и клапаны имеют среднюю наработку на отказ (MTBF) 50 000 часов.

Каково улучшение PUE по сравнению с воздушным охлаждением?

Типичный объект с воздушным охлаждением имеет PUE 1,35-1,50. Двухфазное охлаждение с прямым контактом к чипу достигает PUE 1,08-1,12. Иммерсионное охлаждение может достичь PUE 1,02-1,05 при условии повторного использования отходящего тепла. Более низкий PUE напрямую приводит к снижению эксплуатационных расходов и уменьшению углеродного следа.

Можно ли использовать двухфазное охлаждение для систем хранения энергии на аккумуляторах?

Да, иммерсионное охлаждение тестируется для литий-ионных аккумуляторных батарей в сетевых хранилищах. Жидкость поглощает тепло во время быстрой зарядки, предотвращая тепловой разгон. Температура элементов батареи поддерживается на уровне 25-35°C с равномерностью ±2°C, что увеличивает срок службы циклов на 20-30% по сравнению с воздушным охлаждением.

В BQUQ мы производим прецизионные холодные пластины с ЧПУ-обработкой, рамы для иммерсионных резервуаров и индивидуальные радиаторы для двухфазных систем охлаждения. Имея 20-летний опыт работы в Дунгуане, мы можем производить прототипы с допусками ±0,01 мм и доставлять их в течение 12 часов для срочных квалификационных сборок. Свяжитесь с нами для бесплатного инженерного анализа вашей конструкции контура охлаждения. Эл. почта: sc@bquq.com, WhatsApp: +86 13713157787, www.bquq.com.

Похожие Статьи

• Расстояние между рёбрами радиатора: расчёт оптимального шага для естественного и принудительного воздушного охлаждения в 2025 году
• Конкуренция на региональном рынке: различия и возможности в Азиатско-Тихоокеанском регионе, Северной Америке и экологии теплоотводов в Европе
• Меньше тяжелее: технические ограничения и инновации сверхтонких радиаторов в бытовой электронике