Esperto tecnico Dell: Confronto tra cinque tecnologie di gestione termica dei server, il DLC monofase è più efficace

Recentemente, in una conferenza tecnica organizzata da DCD, il Dr. Tim Shedd, un esperto di tecnologia Dell, ha rivelato il confronto delle prestazioni di cinque tecnologie di gestione termica dei server in una presentazione intitolata "Confronto delle prestazioni di cinque tecnologie di gestione termica dei server". Le principali tecnologie di raffreddamento dei data center studiate nella ricerca includono il raffreddamento ad aria, l'immersione monofase, l'immersione bifase, il raffreddamento a liquido diretto bifase e il raffreddamento a liquido diretto monofase (DLC, piastra fredda).

La ricerca di Dell indica che, rispetto agli altri quattro metodi di raffreddamento del data center, il raffreddamento diretto a liquido (DLC) monofase presenta la massima efficienza termica, fornendo un potenziale percorso verso una migliore sostenibilità e una maggiore efficienza.

Il rapporto rileva che entro il 2025, si prevede che la potenza dei chip CPU o GPU raggiungerà i 500 W, con l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico che spingeranno la potenza della GPU a 700 W e un aumento futuro previsto a 1000 W.

Ancora più importante, con l’aumento della potenza, vi è la richiesta di temperature di confezionamento dei chip più basse e differenziali di temperatura più piccoli per garantire il normale funzionamento dei chip. Pertanto, le sfide per i sistemi di gestione termica si intensificano.

Il rapporto utilizza dati tipici di configurazione dei server dei data center per costruire un modello termico semplificato, illustrando l'applicabilità di queste cinque tecnologie di gestione termica quando la potenza del processore aumenta da 250 W a 500 W.

Processore da 250 W

Negli ultimi anni, quando il TDP del processore era di circa 250 W, tutte e cinque le tecnologie di gestione termica potevano raffreddare in modo efficiente i rack tipici dei data center, come quelli che implementano 32 server dual-socket da 250 W montati su rack. Per un server montato su rack 2U, la differenza di temperatura tra l'involucro del chip e l'aria che passa attraverso il server era di circa 26 gradi. Pertanto, con soli 25 gradi di aria fresca, la temperatura del chip potrebbe essere mantenuta a circa 51 gradi, il che è abbastanza ragionevole.

A questo punto, l'efficienza del raffreddamento ad aria a server singolo è paragonabile al raffreddamento a immersione monofase.

Nel raffreddamento ad immersione a due fasi, la differenza di temperatura tra il contenitore del chip e il liquido di raffreddamento è di circa 20 gradi, mentre la tecnologia DLC ha un differenziale ancora più basso. Con portate tipiche di 1 lpm (1 litro al minuto) o 2 lpm (2 litri al minuto), la differenza di temperatura tra la base della piastra fredda DLC e il contenitore dei trucioli rimane entro un intervallo di 10 gradi.

Processore da 350 W

Attualmente, con l’aumento della potenza del singolo processore da 350 W a 400 W, il differenziale di temperatura richiesto per dissipare il calore del chip nell’acqua di raffreddamento dell’impianto continua ad aumentare.

Per un'implementazione del raffreddamento dell'armadio con 32 server a doppia presa da 350 W montati su rack, la differenza di temperatura tra il raffreddamento ad aria (1U) e il contenitore del chip supera i 50 gradi. Ciò significa che il raffreddamento del server con aria fredda a 25 gradi comporterebbe una temperatura del processore di circa 75 gradi, vicino al limite di temperatura operativa del processore.

A questo punto, l'efficacia del raffreddamento ad immersione monofase è paragonabile al raffreddamento ad aria (1U), mentre il raffreddamento ad aria (2U) può mantenere una differenza di temperatura tra aria e chip di circa 38 gradi.

Inoltre, la differenza di temperatura tra il liquido di raffreddamento ad immersione bifase e il packaging dei chip è di circa 25 gradi, mentre il DLC monofase e il DLC bifase rimangono altamente efficienti. La differenza di temperatura tra il DLC bifase e il chip è di circa 15 gradi e, con una portata di 1 lpm, la differenza di temperatura per il DLC monofase è di circa 11 gradi.

È evidente che con l'aumento della potenza del processore a 350 W-400 W, il raffreddamento ad aria si sta avvicinando ai limiti pratici, richiedendo aria più fredda e aggravando il consumo di energia di raffreddamento.

500W

Nei prossimi due o tre anni, si prevede che il TDP del processore aumenterà generalmente fino a 500 W, ponendo sfide significative per il raffreddamento ad aria. Saranno necessari metodi innovativi di progettazione del radiatore o il ricorso a dimensioni più grandi per consentire l'ingresso di più aria e il raffreddamento del processore.

A questo punto, il raffreddamento ad aria (1U), il raffreddamento ad immersione monofase e la differenza di temperatura tra il confezionamento dei chip superano i 60 gradi. Il raffreddamento ad immersione bifase rimane efficace, ma il differenziale salirà a circa 34 gradi. I differenziali di temperatura tra DLC bifase e DLC monofase (1 lpm) sono simili, circa 25 gradi, mentre il DLC monofase (2 lpm) ha un differenziale più piccolo, circa 17 gradi.

Vale la pena notare che il raffreddamento ad acqua ad alta temperatura nell’intervallo da 48 gradi a 50 gradi può presentare alcune reali opportunità per il riutilizzo dell’energia termica in questa fase.

Riepilogo

Raffreddamento ad aria:

L’aumento del TDP del processore pone sfide crescenti per il raffreddamento ad aria.

I progressi nei radiatori e nei ventilatori potrebbero superare i limiti.

In genere incontra limitazioni sull'impatto del calore del processore su altri componenti.

Raffreddamento DLC:

Il raffreddamento monofase supera di gran lunga i 500 W TDP.

Il DLC bifase può raffreddare un TDP elevato, sebbene vi siano problemi di resistenza al flusso di vapore che devono essere risolti.

I progressi nella progettazione del sistema o nella tecnologia dei fluidi possono migliorare il DLC a due fasi.

Raffreddamento per immersione:

Sfide crescenti con TDP elevato.

I progressi nei radiatori e nella tecnologia dei fluidi potrebbero superare i limiti.

La modalità bifase è limitata dal punto di ebollizione del fluido e dalle prestazioni del condensatore.

 

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