Nestejäähdytysteknologian vallankumous datakeskuksissa
Tekoälyn, pilvitekniikan ja big datan kaltaisten teknologioiden innovatiivisen kehityksen myötä datakeskukset ja viestintälaitteet tietoinfrastruktuurina suorittavat yhä enemmän laskentaa. Datakeskusten laskentatehon nopean kasvun myötä yksittäisten kaappien tehotiheys on kasvanut, mikä asettaa korkeampia vaatimuksia lämmönpoistoteholle. Toisaalta "kaksoishiilipolitiikan" mukaisesti datakeskusten "suurina energiankuluttajina" vaaditaan jatkuvasti alentamaan PUE-indikaattoreitaan jäähdytysjärjestelmän sähkönkulutuksen alentamiseksi. Perinteinen ilmajäähdytys ei kuitenkaan enää täytä yllä olevia lämmönpoistovaatimuksia, ja nestejäähdytystekniikka on ilmaantunut.
Markkinoiden huippuluokan datakeskuksen GPU 10 vuotta sitten oli NVIDIA K40, jonka lämpösuunnitteluteho (TDP) oli 235 W. Kun NVIDIA julkaisi A100:n vuonna 2020, TDP oli lähellä 400 wattia, ja uusimmalla H100-sirulla TDP nousi pilviin 700 wattiin. Yhden tehokkaan AI-sirun lämpösuunnittelun tehonkulutus on saavuttanut 1000 W. On selvää, että Intel kehittää sirua, joka voi saavuttaa 1,5 kW. Kilpailu tekoälystä kiteytyy lopulta kilpailuun laskentatehosta, ja suurien laskentasirujen suuri pullonkaula on niiden lämmönpoistokyky. Kun sirun TDP ylittää 1000 W, on käytettävä nestejäähdytystekniikkaa.
Nestejäähdytystekniikka voi tehokkaasti ratkaista tietokonehuoneiden tiheän käyttöönoton ja paikallisen ylikuumenemisen ongelmat, joista uppojäähdytyksellä on erinomaisia etuja lämmönpoistossa ja energiansäästössä. Upotusnestejäähdytys on tyypillinen suorakosketusnestejäähdytysmenetelmä, jossa elektroniset laitteet upotetaan jäähdytysnesteeseen ja syntyvä lämpö siirretään suoraan jäähdytysnesteeseen ja johdetaan nesteen kierron kautta. Upotusnestejäähdytys voidaan luokitella kahteen tyyppiin: yksivaiheinen upotusnestejäähdytys ja faasimuutosnestejäähdytys sen mukaan, muuttuuko käytettävä jäähdytysneste tilamuutoksen elektronisten laitteiden jäähdytyksen aikana. Yksivaiheisen järjestelmän etuna on, että käyttöönottokustannukset ja jäähdytysaineen kustannukset ovat alhaisemmat, eikä jäähdytysnesteen ylivuotovaaraa ole; Vaiheenmuutoksen etuna on korkeampi lämmönpoistokyky ja -raja, mutta se on silti jäljessä yksivaiheisesta kustannusten ja teknologisen kypsyyden suhteen.
Yksivaiheinen uppojäähdytys tarjoaa vaikuttavan ratkaisun datakeskuksiin, jotka etsivät tehokasta ja luotettavaa lämmönhallintaa. Tässä menetelmässä IT-komponentit upotetaan kokonaan erityisesti suunniteltuun eristysnesteeseen. Tämä neste imee suoraan lämpöä palvelimelta, samalla tavalla kuin kaksivaiheinen uppojäähdytys. Toisin kuin kaksivaiheisissa järjestelmissä, yksivaiheinen jäähdytysneste ei kiehu eikä käy läpi vaihemuutoksia. Se pysyy nestemäisenä koko jäähdytysprosessin ajan. Lämmitetty eristysneste kiertää lämmönvaihtimen läpi jäähdytysjakeluyksikön (CDU) sisällä. Tämä lämmönvaihdin siirtää lämpöenergiaa itsenäiseen jäähdytysväliaineeseen, tyypillisesti suljetun kierron vesijärjestelmään. Jäähtynyt eristysneste pumpataan sitten takaisin upotussäiliöön jäähdytyssyklin loppuunsaattamiseksi.
Kaksivaiheisessa uppojäähdytysjärjestelmässä elektroniset komponentit upotetaan eristettyyn lämpöä johtavaan nestekylpyyn, jonka lämmönjohtavuus on paljon parempi kuin ilman, veden tai öljyn. Erona kaksivaiheisen upotusnestejäähdytyksen välillä on se, että jäähdytysneste käy läpi faasimuutoksen. Kaksivaiheisen upotusnestejäähdytyksen lämmönsiirtoreitti on periaatteessa sama kuin yksivaiheisen upotusnestejäähdytyksen, pääasiallisena erona on, että toissijaisen puolen jäähdytysneste kiertää vain upotuskammion sisäalueella, jonka yläosa on upotuskammio on kaasumainen vyöhyke ja pohja on nestevyöhyke; IT-laitteet upotetaan kokonaan matalan kiehumispisteen nestemäiseen jäähdytysnesteeseen, joka imee lämpöä laitteesta ja kiehuu. Höyrystymisellä tuotettu korkean lämpötilan kaasumainen jäähdytysneste kerääntyy alhaisen tiheytensä vuoksi vähitellen upotuskammion yläosaan ja vaihtaa lämpöä yläosaan asennetun lauhduttimen kanssa tiivistyen matalan lämpötilan nestemäiseksi jäähdytysnesteeksi. Sitten se virtaa takaisin kammion pohjalle painovoiman vaikutuksesta, jolloin saadaan lämpöhäviö IT-laitteille.
Lämmönpoistoteknologian innovatiivisen kehityksen prosessissa, oli kyse sitten siruista tai elektronisista laitteista, tuotteiden volyymi, suunnittelukustannukset, luotettavuus ja muut näkökohdat ovat kynnysarvoja, joita yritykset eivät voi välttää. Nämä ovat myös ongelmia, jotka lämmönpoistotekniikan on tasapainotettava ja ratkaistava. Erilaisten yhdistelmäteknologioiden avulla voidaan kehittää tuotteita erilaisille lämmönpoistomateriaaleille, teknologioille ja sovellusskenaarioille, jotta voidaan löytää optimaalinen ratkaisu nykyiseen malliin.
