Revoluce technologie kapalinového chlazení v datových centrech

S inovativním rozvojem technologií, jako je umělá inteligence, cloud computing a velká data, datová centra a komunikační zařízení jako informační infrastruktura provádějí stále větší množství výpočtů. S rychlým nárůstem výpočetního výkonu v datových centrech se zvýšila výkonová hustota jednotlivých skříní, což klade vyšší nároky na účinnost odvodu tepla. Na druhou stranu v rámci politiky „dvou uhlíku“ jsou datová centra jako „velcí spotřebitelé energie“ povinna neustále snižovat své ukazatele PUE, aby se snížila spotřeba elektrické energie chladicího systému. Tradiční vzduchové chlazení však již nemůže splňovat výše uvedené požadavky na odvod tepla a objevila se technologie chlazení kapalinou.

Špičkový GPU datového centra dostupný na trhu před 10 lety byla NVIDIA K40 s tepelným výkonem (TDP) 235 W. Když NVIDIA v roce 2020 vydala A100, TDP se blížilo 400 W a s nejnovějším čipem H100 TDP vyletělo na 700 W. Tepelná spotřeba energie jednoho vysoce výkonného AI čipu dosáhla 1000 W. Je zřejmé, že Intel vyvíjí čip, který může dosáhnout 1,5 kW. Konkurence v umělé inteligenci se nakonec scvrkává na konkurenci ve výpočetním výkonu a hlavní překážkou pro vysoce výpočetní čipy je jejich schopnost odvádět teplo. Když TDP čipu překročí 1000 W, musí být přijata technologie chlazení kapalinou.

Technologie kapalinového chlazení může efektivně vyřešit problémy s vysokou hustotou nasazení a místním přehříváním v počítačových místnostech, mezi nimiž má ponorné kapalinové chlazení vynikající výhody v rozptylu tepla a úspoře energie. Imerzní kapalinové chlazení je typická metoda přímého kontaktu kapalinového chlazení, při které jsou elektronická zařízení ponořena do chladicí kapaliny a vytvořené teplo je přímo přenášeno do chladicí kapaliny a vedeno cirkulací kapaliny. Imerzní kapalinové chlazení lze rozdělit do dvou typů: jednofázové imerzní kapalinové chlazení a Imerzní kapalinové chlazení s fázovou změnou v závislosti na tom, zda použitá chladicí kapalina projde změnou stavu během chlazení elektronických zařízení. Výhodou jednofázového provedení je, že náklady na nasazení a chladicí médium jsou nižší a nehrozí přetečení chladicí kapaliny; Výhoda fázové změny spočívá v její vyšší kapacitě a limitu odvodu tepla, ale stále zaostává za jednofázovou z hlediska nákladů a technologické vyspělosti.

Jednofázové ponorné chlazení poskytuje přesvědčivé řešení pro datová centra, která hledají efektivní a spolehlivou správu teploty. Při této metodě jsou IT komponenty zcela ponořeny do speciálně vytvořené izolační kapaliny. Tato kapalina přímo absorbuje teplo ze serveru, podobně jako dvoufázové ponorné chlazení. Na rozdíl od dvoufázových systémů jednofázové chladivo nevaří ani neprochází fázovými přechody. Zůstává kapalný po celý proces chlazení. Ohřátá izolační kapalina cirkuluje přes výměník tepla uvnitř chladicí distribuční jednotky (CDU). Tento výměník tepla předává tepelnou energii nezávislému chladicímu médiu, typicky vodnímu systému s uzavřenou smyčkou. Ochlazená izolační kapalina je poté čerpána zpět do ponorné nádrže, aby se dokončil chladicí cyklus.

Ve dvoufázovém ponorném chladicím systému jsou elektronické součástky ponořeny do izolované teplovodivé kapalinové lázně, která má mnohem lepší tepelnou vodivost než vzduch, voda nebo olej. Rozdíl mezi dvoufázovým imerzním kapalinovým chlazením je ten, že chladicí kapalina prochází fázovým přechodem. Dráha přenosu tepla u dvoufázového imerzního kapalinového chlazení je v zásadě stejná jako u jednofázového imerzního kapalinového chlazení, s tím rozdílem, že chladicí kapalina sekundární strany cirkuluje pouze ve vnitřní oblasti imerzní komory, s horní částí ponorná komora je plynná zóna a dno je kapalinová zóna; IT zařízení je zcela ponořeno do kapalného chladiva s nízkým bodem varu, které absorbuje teplo ze zařízení a vaří. Vysokoteplotní plynné chladivo produkované odpařováním se díky své nízké hustotě postupně shromažďuje v horní části ponorné komory a vyměňuje teplo s kondenzátorem instalovaným v horní části, přičemž kondenzuje na nízkoteplotní kapalné chladivo. Poté teče zpět na dno komory působením gravitace, čímž se dosahuje odvodu tepla pro IT zařízení.

V procesu inovativního vývoje technologie rozptylu tepla, ať už jde o čipy nebo elektronická zařízení, jsou objem, náklady na design, spolehlivost a další aspekty produktů prahové hodnoty, kterým se podniky nemohou vyhnout. I to jsou problémy, které musí technologie odvodu tepla vyrovnávat a řešit. Různé kombinované technologie mohou být použity k vývoji produktů pro různé materiály, technologie a aplikační scénáře rozptylující teplo, aby se našlo optimální řešení pro aktuální model.