La rivoluzione della tecnologia di raffreddamento a liquido nei data center

Con lo sviluppo innovativo di tecnologie come l’intelligenza artificiale, il cloud computing e i big data, i data center e le apparecchiature di comunicazione, come le infrastrutture informative, stanno affrontando una quantità crescente di calcoli. Con il rapido aumento della potenza di calcolo nei data center, è aumentata la densità di potenza dei singoli armadi, il che pone requisiti più elevati in termini di efficienza di dissipazione del calore. D'altra parte, nell'ambito della politica "dual carbon", i data center, in quanto "grandi consumatori di energia", sono tenuti a ridurre continuamente i propri indicatori PUE per ridurre il consumo di elettricità del sistema di refrigerazione. Tuttavia, il tradizionale raffreddamento ad aria non è più in grado di soddisfare i requisiti di dissipazione del calore di cui sopra ed è emersa la tecnologia di raffreddamento a liquido.

La GPU di fascia alta per data center disponibile sul mercato 10 anni fa era la NVIDIA K40, con una potenza di progettazione termica (TDP) di 235 W. Quando NVIDIA ha rilasciato l'A100 nel 2020, il TDP era vicino a 400 W e con l'ultimo chip H100, il TDP è salito alle stelle fino a 700 W. Il consumo energetico del progetto termico di un singolo chip AI ad alte prestazioni ha raggiunto i 1000 W. Resta inteso che Intel sta sviluppando un chip che potrebbe raggiungere 1,5kW. La competizione nell’intelligenza artificiale si riduce in ultima analisi alla competizione nella potenza di calcolo, e uno dei principali colli di bottiglia per i chip informatici ad alta capacità è la loro capacità di dissipazione del calore. Quando il TDP del chip supera i 1000 W, è necessario adottare la tecnologia di raffreddamento a liquido.

La tecnologia di raffreddamento a liquido può risolvere efficacemente i problemi legati all'implementazione ad alta densità e al surriscaldamento locale nelle sale computer, tra cui il raffreddamento a liquido ad immersione presenta eccezionali vantaggi in termini di dissipazione del calore e risparmio energetico. Il raffreddamento a liquido per immersione è un tipico metodo di raffreddamento a liquido a contatto diretto, in cui i dispositivi elettronici sono immersi in un liquido di raffreddamento e il calore generato viene trasferito direttamente al liquido di raffreddamento e condotto attraverso la circolazione del liquido. Il raffreddamento a liquido per immersione può essere classificato in due tipi: raffreddamento a liquido per immersione monofase e raffreddamento a liquido per immersione a cambiamento di fase, a seconda che il liquido di raffreddamento utilizzato subisca un cambiamento di stato durante il raffreddamento dei dispositivi elettronici. Il vantaggio della monofase è che i costi di implementazione e di raffreddamento sono inferiori e non vi è alcun rischio di traboccamento del refrigerante; Il vantaggio del cambiamento di fase risiede nella sua maggiore capacità e limite di dissipazione del calore, ma è ancora in ritardo rispetto alla monofase in termini di costi e maturità tecnologica.

Il raffreddamento a immersione monofase fornisce una soluzione convincente per i data center che cercano una gestione termica efficiente e affidabile. In questo metodo, i componenti IT sono completamente immersi in un liquido isolante appositamente formulato. Questo liquido assorbe direttamente il calore dal server, in modo simile al raffreddamento ad immersione bifase. A differenza dei sistemi bifase, il refrigerante monofase non bolle né subisce transizioni di fase. Rimane liquido durante l'intero processo di raffreddamento. Il liquido isolante riscaldato circola attraverso lo scambiatore di calore all'interno dell'unità di distribuzione del raffreddamento (CDU). Questo scambiatore di calore trasferisce l'energia termica a un mezzo di raffreddamento indipendente, tipicamente un sistema ad acqua a circuito chiuso. Il liquido isolante raffreddato viene quindi pompato nuovamente nella vasca di immersione per completare il ciclo di raffreddamento.

In un sistema di raffreddamento ad immersione bifase, i componenti elettronici sono immersi in un bagno liquido isolato termoconduttore, che ha una conduttività termica molto migliore rispetto ad aria, acqua o olio. La differenza tra il raffreddamento a liquido ad immersione bifase è che il liquido di raffreddamento subisce una transizione di fase. Il percorso di trasferimento del calore del raffreddamento a liquido ad immersione bifase è sostanzialmente lo stesso di quello del raffreddamento a liquido ad immersione monofase, con la differenza principale che il liquido di raffreddamento del lato secondario circola solo nella zona interna della camera di immersione, con la parte superiore la camera di immersione essendo la zona gassosa ed il fondo essendo la zona liquida; L'apparecchiatura IT è completamente immersa in un liquido refrigerante a basso punto di ebollizione, che assorbe il calore dall'apparecchiatura e bolle. Il refrigerante gassoso ad alta temperatura prodotto dalla vaporizzazione, a causa della sua bassa densità, si raccoglie gradualmente nella parte superiore della camera di immersione e scambia calore con il condensatore installato nella parte superiore, condensandosi in un refrigerante liquido a bassa temperatura. Quindi ritorna sul fondo della camera sotto l'azione della gravità, garantendo la dissipazione del calore per le apparecchiature IT.

Nel processo di sviluppo innovativo della tecnologia di dissipazione del calore, che si tratti di chip o dispositivi elettronici, il volume, i costi di progettazione, l'affidabilità e altri aspetti dei prodotti rappresentano soglie che le aziende non possono evitare. Anche questi sono problemi che la tecnologia di dissipazione del calore deve bilanciare e risolvere. È possibile utilizzare diverse tecnologie combinate per sviluppare prodotti per vari materiali, tecnologie e scenari applicativi di dissipazione del calore, al fine di trovare la soluzione ottimale per il modello attuale.