Rewolucja w technologii chłodzenia cieczą w centrach danych
Wraz z innowacyjnym rozwojem technologii, takich jak sztuczna inteligencja, przetwarzanie w chmurze i duże zbiory danych, centra danych i sprzęt komunikacyjny jako infrastruktura informacyjna wykonują coraz większą ilość obliczeń. Wraz z szybkim wzrostem mocy obliczeniowej w centrach danych wzrosła gęstość mocy pojedynczych szaf, co stawia wyższe wymagania w zakresie efektywności rozpraszania ciepła. Z drugiej strony, w ramach polityki „dual carbon” centra danych, jako „główni odbiorcy energii”, mają obowiązek ciągłego obniżania swoich wskaźników PUE w celu zmniejszenia zużycia energii elektrycznej przez system chłodniczy. Jednak tradycyjne chłodzenie powietrzem nie jest już w stanie spełnić powyższych wymagań w zakresie odprowadzania ciepła i pojawiła się technologia chłodzenia cieczą.
Najwyższej klasy procesor graficzny dla centrów danych dostępny na rynku 10 lat temu to NVIDIA K40 o projektowej mocy cieplnej (TDP) wynoszącej 235 W. Kiedy NVIDIA wypuściła A100 w 2020 roku, TDP było bliskie 400 W, a w przypadku najnowszego układu H100 TDP gwałtownie wzrosło do 700 W. Projektowany pobór mocy cieplnej przez pojedynczy, wysokowydajny układ AI osiągnął 1000 W. Rozumie się, że Intel opracowuje chip, który może osiągnąć 1,5 kW. Konkurencja w dziedzinie sztucznej inteligencji ostatecznie sprowadza się do rywalizacji w mocy obliczeniowej, a głównym wąskim gardłem w przypadku chipów o dużej mocy obliczeniowej jest ich zdolność do rozpraszania ciepła. Gdy TDP chipa przekracza 1000 W, należy zastosować technologię chłodzenia cieczą.
Technologia chłodzenia cieczą może skutecznie rozwiązać problemy związane z wdrażaniem dużej gęstości i lokalnym przegrzaniem w pomieszczeniach komputerowych, wśród których zanurzeniowe chłodzenie cieczą ma wyjątkowe zalety w zakresie rozpraszania ciepła i oszczędzania energii. Chłodzenie cieczą zanurzeniową to typowa metoda chłodzenia cieczą z bezpośrednim kontaktem, w której urządzenia elektroniczne zanurza się w cieczy chłodzącej, a wytworzone ciepło jest bezpośrednio przekazywane do cieczy chłodzącej i przewodzone poprzez obieg cieczy. Chłodzenie cieczą zanurzeniową można podzielić na dwa typy: jednofazowe chłodzenie cieczą zanurzeniową i chłodzenie cieczą zanurzeniową ze zmianą fazy, w zależności od tego, czy zastosowana ciecz chłodząca ulegnie zmianie stanu podczas chłodzenia urządzeń elektronicznych. Zaletą zasilania jednofazowego jest niższy koszt wdrożenia i czynnika chłodzącego oraz brak ryzyka przepełnienia chłodziwa; Zaleta zmiany fazowej polega na wyższej zdolności i limicie rozpraszania ciepła, ale nadal pozostaje w tyle za jednofazowym pod względem kosztów i dojrzałości technologicznej.
Jednofazowe chłodzenie zanurzeniowe stanowi atrakcyjne rozwiązanie dla centrów danych poszukujących wydajnego i niezawodnego zarządzania ciepłem. W tej metodzie elementy IT są całkowicie zanurzane w specjalnie opracowanej cieczy izolacyjnej. Ciecz ta bezpośrednio pochłania ciepło z serwera, podobnie jak dwufazowe chłodzenie zanurzeniowe. W przeciwieństwie do układów dwufazowych, płyn chłodzący jednofazowy nie wrze ani nie ulega przemianom fazowym. Pozostaje płynny przez cały proces chłodzenia. Ogrzana ciecz izolacyjna przepływa przez wymiennik ciepła wewnątrz jednostki dystrybucji chłodzenia (CDU). Ten wymiennik ciepła przekazuje energię cieplną do niezależnego czynnika chłodzącego, zwykle układu wodnego z zamkniętym obiegiem. Ochłodzona ciecz izolacyjna jest następnie pompowana z powrotem do zbiornika zanurzeniowego, aby zakończyć cykl chłodzenia.
W dwufazowym układzie chłodzenia zanurzeniowego elementy elektroniczne zanurza się w izolowanej kąpieli cieczowej przewodzącej ciepło, która ma znacznie lepszą przewodność cieplną niż powietrze, woda czy olej. Różnica między dwufazowym chłodzeniem cieczą zanurzeniową polega na tym, że chłodziwo ulega przemianie fazowej. Droga wymiany ciepła w przypadku dwufazowego chłodzenia cieczą zanurzeniową jest zasadniczo taka sama, jak w przypadku jednofazowego chłodzenia cieczą zanurzeniową, z tą główną różnicą, że chłodziwo po stronie wtórnej krąży tylko w obszarze wewnętrznym komory zanurzeniowej, przy czym górna część komora zanurzeniowa stanowi strefę gazową, a dno stanowi strefę cieczową; Sprzęt IT jest całkowicie zanurzony w płynnym płynie chłodzącym o niskiej temperaturze wrzenia, który pochłania ciepło ze sprzętu i wrze. Wysokotemperaturowy gazowy czynnik chłodzący powstający w wyniku odparowania, ze względu na małą gęstość, stopniowo gromadzi się w górnej części komory zanurzeniowej i wymienia ciepło z zamontowanym na górze skraplaczem, skraplając się w niskotemperaturowy płyn chłodzący. Następnie spływa z powrotem na dno komory pod działaniem siły ciężkości, powodując odprowadzenie ciepła dla sprzętu IT.
W procesie innowacyjnego rozwoju technologii rozpraszania ciepła, niezależnie od tego, czy są to chipy, czy urządzenia elektroniczne, objętość, koszt projektu, niezawodność i inne aspekty produktów stanowią progi, których przedsiębiorstwa nie mogą uniknąć. Są to również problemy, które technologia rozpraszania ciepła musi zrównoważyć i rozwiązać. Do opracowania produktów dla różnych materiałów, technologii i scenariuszy zastosowań można zastosować różne technologie kombinowane, aby znaleźć optymalne rozwiązanie dla bieżącego wzoru.
