Analýza technologie kapalinového chlazení a odvodu tepla v datových centrech AI

Generativní AI a různé velké modely nám přinášejí zbrusu nový aplikační zážitek a také kladou vyšší nároky na výpočetní výkon. Pro manažery provozu datových center jsou vzhledem k výraznému nárůstu hustoty výkonu GPU serverů kladeny vyšší požadavky na chladící zařízení a technologie datových center. Kromě zaměření na samotný výpočetní výkon proto věnují větší pozornost také různým problémům, které přináší spotřeba a chlazení datového centra.

V důsledku silné poptávky po výpočetním výkonu AI se počet serverů GPU v datových centrech výrazně zvýšil, což vede ke stále významnějším problémům se spotřebou energie. Víme, že maximální celkový výkon vzduchem chlazené samostatné skříně v datových centrech je 15 kW. Při stejné rychlosti racku se nárůst výkonu, který přináší servery GPU, přiblížil limitu jedné skříně. Spotřeba GPU však stále neustále roste. Vzhledem k vysoké spotřebě energie a scénářům vysoké hustoty není tradiční chlazení vzduchem zjevně schopno pokrýt spotřebu energie a potřeby rozptylu tepla. Technologie kapalinového chlazení se svou ultra vysokou energetickou účinností a ultra vysokou hustotou tepla se stala nezbytnou možností pro řešení řízení teploty v inteligentních výpočetních centrech.

V tradičních vzduchem chlazených datových centrech je spotřeba energie na chlazení zařízení a odvod tepla až 40 % a účinnost odvodu tepla není vysoká. Vzhledem ke svým omezením je konvenční vzduchové chlazení v datových centrech obecně navrženo s hustotou jedné skříně 8-10 kW. Díky tepelné vodivosti technologie kapalinového chlazení, která je 25krát větší než vzduch a přenáší téměř 3000krát více tepla než stejný objem vzduchu, může snadno dosáhnout hustoty jedné skříně přes 30 kW. Proto může ušetřit spoustu místa, dále zlepšit hustotu nasazení skříní v jednom datovém centru a zlepšit míru využití plochy jednotky datového centra.
V průmyslu kapalinového chlazení však v současnosti neexistuje jednotná technologie a konstrukční standard a ve srovnání s tradičním vzduchem chlazeným chlazením jsou náklady na výstavbu datových center s kapalinovým chlazením stále příliš vysoké. Rychlý vývoj technologie kapalinového chlazení a nedostatek jednotných technologických a konstrukčních norem přinesly značné výzvy pro pozdější správu a údržbu.

V současnosti mezi hlavní technologie kapalinového chlazení patří technologie nepřímého kapalinového chlazení reprezentovaná chladícím deskovým kapalinovým chladicím systémem a technologie přímého kapalinového chlazení představovaná imerzním kapalinovým chlazením. Vzhledem k rozdílům v konstrukci odvodu tepla mezi těmito dvěma existují také významné rozdíly v účinnosti odvodu tepla.

Technologie nepřímého odvodu tepla je dosažena kontaktem s povrchy procesorů, pamětí, GPU, pevných disků a dalších médií, jako jsou chladící desky, s využitím toku chladicí kapaliny k odvádění tepla. Kromě studených desek a dalších médií zahrnuje technologie nepřímého kapalinového chlazení také komponenty, jako jsou výměníky tepla, potrubí, čerpadla, chladicí kapalina a řídicí systémy. Chladicí systém chladicích desek se stal hlavním řešením technologie nepřímého chlazení kapalin. Hlavní výhody technologie nepřímého kapalinového chlazení jsou, že nevyžaduje změnu formy stávajících serverů, má nízkou technickou náročnost návrhu, relativně nízkou obtížnost nasazení a relativně malé potíže s pozdější správou provozu a údržby. Navíc díky použití vodného roztoku ethylenglykolu jako chladicího média jsou náklady nižší.
Nevýhodou je relativně nízká účinnost odvodu tepla a vzhledem k velkému počtu součástek je relativně vyšší poruchovost. V současné době se systém chladného chlazení kapalinou stal preferovaným řešením pro většinu datových center.

Technologie přímého chlazení kapalinou označuje přímý kontakt mezi CPU, GPU, základní deskou, pamětí atd. a chladicí kapalinou, která přímo protéká povrchem hardwaru a absorbuje a odvádí teplo. V současné době technologie přímého kapalinového chlazení zahrnuje chladicí systémy ponorné kapaliny a chladicí systémy rozstřikované kapaliny. Podle toho, zda chladicí médium prochází fázovou změnou, lze jej rozdělit na jednofázové ponoření a ponoření s fázovou změnou.
Ve srovnání s technologií nepřímého odvodu tepla nemá technologie přímého chlazení kapalinou žádné mezilehlé vodivé médium mezi kapalinou a zdrojem tepla a teplo lze přenášet přímo do kapaliny, což vede k vyšší účinnosti odvodu tepla. Nasazení technologie přímého kapalinového chlazení je však obtížnější a nákladnější kvůli nutnosti přepracovat a transformovat celé datové centrum. V současnosti se technologie přímého kapalinového chlazení používá hlavně ve scénářích, které vyžadují vysokou účinnost odvodu tepla.

V současné době, kdy se systém chlazení chladicími deskami stává vyspělejším, stane se hlavní technologií chlazení kapalinou, která vstupuje do datových center jako první. Náklady, provoz a údržba, bezpečnost a další problémy, které ovlivňují popularizaci technologie chlazení chladicích desek chladnými deskami, budou rovněž řešeny s rozvojem technologie a standardizací.
S nepřetržitým vývojem technologie budou systémy ponořeného kapalinového chlazení široce používány také v nových datových centrech s vysokou hustotou, což dále zlepší účinnost odvodu tepla datových center a výrazně zvýší úrovně výpočetního výkonu.