Analisi della tecnologia di raffreddamento a liquido e dissipazione del calore nei data center AI
L’intelligenza artificiale generativa e vari modelli di grandi dimensioni ci offrono un’esperienza applicativa completamente nuova e pongono anche esigenze più elevate in termini di potenza di calcolo. Per i responsabili operativi dei data center, a causa del significativo aumento della densità di potenza dei server GPU, vengono imposti requisiti più elevati alle apparecchiature di refrigerazione e alla tecnologia dei data center. Pertanto, oltre a concentrarsi sulla potenza di calcolo in sé, prestano maggiore attenzione anche ai vari problemi derivanti dal consumo energetico e dal raffreddamento del data center.
Spinto dalla forte domanda di potenza di calcolo basata sull’intelligenza artificiale, il numero di server GPU nei data center è aumentato in modo significativo, portando a problemi di consumo energetico sempre più importanti. Sappiamo che la potenza totale massima di un singolo armadio raffreddato ad aria nei data center è di 15 kW. Con la stessa velocità di rack, la crescita di potenza portata dai server GPU si è avvicinata al limite di un singolo cabinet. Tuttavia, il consumo energetico delle GPU è ancora in costante aumento. A fronte di un consumo energetico elevato e di scenari ad alta densità, il tradizionale raffreddamento ad aria non è chiaramente in grado di soddisfare le esigenze di consumo energetico e di dissipazione del calore. La tecnologia di raffreddamento a liquido, con la sua altissima efficienza energetica e altissima densità di calore, è diventata un'opzione necessaria per le soluzioni di controllo della temperatura nei centri di calcolo intelligenti.
Nei data center tradizionali raffreddati ad aria, il consumo di energia per il raffreddamento delle apparecchiature e la dissipazione del calore arriva fino al 40% e l'efficienza di dissipazione del calore non è elevata. A causa delle sue limitazioni, il raffreddamento ad aria convenzionale nei data center è generalmente progettato con una singola densità dell'armadio di 8-10kW. Poiché la conduttività termica della tecnologia di raffreddamento a liquido è 25 volte quella dell'aria e trasporta quasi 3000 volte più calore rispetto allo stesso volume d'aria, è possibile raggiungere facilmente una densità di armadio singolo superiore a 30 kW. Pertanto, può risparmiare molto spazio, migliorare ulteriormente la densità di distribuzione degli armadi in un singolo data center e migliorare il tasso di utilizzo dell'area dell'unità del data center.
Tuttavia, attualmente non esistono tecnologie e standard di costruzione unificati nel settore del raffreddamento a liquido e, rispetto al tradizionale raffreddamento ad aria, i costi di costruzione dei data center con raffreddamento a liquido sono ancora troppo elevati. Il rapido sviluppo della tecnologia di raffreddamento a liquido e la mancanza di tecnologia unificata e standard di costruzione hanno comportato sfide significative per la successiva gestione e manutenzione.
Allo stato attuale, le principali tecnologie di raffreddamento a liquido includono la tecnologia di raffreddamento a liquido indiretto rappresentata dal sistema di raffreddamento a liquido a piastra fredda e la tecnologia di raffreddamento a liquido diretto rappresentata dal sistema di raffreddamento a liquido ad immersione. A causa delle differenze nella progettazione della dissipazione del calore tra i due, ci sono anche differenze significative nell'efficienza della dissipazione del calore.
La tecnologia di dissipazione del calore indiretta si ottiene entrando in contatto con le superfici di CPU, memoria, GPU, dischi rigidi e altri supporti come piastre fredde, utilizzando il flusso di refrigerante per portare via il calore. Oltre alle piastre fredde e ad altri mezzi, la tecnologia di raffreddamento a liquido indiretto comprende anche componenti come scambiatori di calore, tubazioni, pompe, refrigerante e sistemi di controllo. Il sistema di raffreddamento a liquido Cold Plate è diventato la soluzione principale per la tecnologia di raffreddamento a liquido indiretto. I principali vantaggi della tecnologia di raffreddamento a liquido indiretto sono che non richiede la modifica della forma dei server esistenti, presenta una bassa difficoltà tecnica di progettazione, una difficoltà di implementazione relativamente bassa e una difficoltà relativamente bassa nella gestione successiva del funzionamento e della manutenzione. Inoltre, grazie all'utilizzo della soluzione acquosa di glicole etilenico come mezzo di raffreddamento, il costo è inferiore.
Lo svantaggio è che l'efficienza di dissipazione del calore è relativamente bassa e, a causa dell'elevato numero di componenti, il tasso di guasto è relativamente più elevato. Attualmente, il sistema di raffreddamento a liquido Cold Plate è diventato la soluzione preferita per la maggior parte dei data center.
La tecnologia di raffreddamento a liquido diretto si riferisce al contatto diretto tra CPU, GPU, scheda madre, memoria, ecc. e il liquido di raffreddamento, che scorre direttamente attraverso la superficie dell'hardware per assorbire ed eliminare il calore. Allo stato attuale, la tecnologia di raffreddamento a liquido diretto comprende sistemi di raffreddamento a liquido ad immersione e sistemi di raffreddamento a liquido a spruzzo. A seconda che il mezzo di raffreddamento subisca un cambiamento di fase, può essere suddiviso in immersione monofase e immersione a cambiamento di fase.
Rispetto alla tecnologia di dissipazione del calore indiretta, la tecnologia di raffreddamento a liquido diretto non ha un mezzo conduttivo intermedio tra il liquido e la fonte di calore e il calore può essere trasferito più direttamente al liquido, con conseguente maggiore efficienza di dissipazione del calore. Tuttavia, la tecnologia di raffreddamento a liquido diretto è più difficile e costosa da implementare a causa della necessità di riprogettare e trasformare l’intero data center. Attualmente, la tecnologia di raffreddamento a liquido diretto viene utilizzata principalmente in scenari che richiedono un’elevata efficienza di dissipazione del calore.
Allo stato attuale, man mano che il sistema di raffreddamento a liquido Cold Plate diventa più maturo, diventerà la tecnologia di raffreddamento a liquido tradizionale che entrerà per prima nei data center. Anche i costi, il funzionamento e la manutenzione, la sicurezza e altri problemi che influiscono sulla divulgazione della tecnologia di raffreddamento a liquido a piastre fredde verranno risolti con lo sviluppo della tecnologia e la standardizzazione.
Con il continuo sviluppo della tecnologia, i sistemi di raffreddamento a liquido immersi saranno ampiamente utilizzati anche nei nuovi data center ad alta densità, migliorando ulteriormente l’efficienza di dissipazione del calore dei data center e aumentando significativamente i livelli di potenza di calcolo.
