Analiza tečnog hlađenja i tehnologije odvođenja toplote u AI data centrima

Generativna umjetna inteligencija i razni veliki modeli donose nam potpuno novo iskustvo primjene, a također postavljaju veće zahtjeve u pogledu računarske snage. Za menadžere rada data centara, zbog značajnog povećanja gustine snage GPU servera, postavljaju se veći zahtevi za rashladnu opremu i tehnologiju data centara. Stoga, pored fokusiranja na samu računarsku snagu, više pažnje posvećuju i raznim problemima koje donosi potrošnja energije i hlađenje data centra.

Vođen snažnom potražnjom za AI računarskom snagom, broj GPU servera u podatkovnim centrima značajno se povećao, što je dovelo do sve izraženijih problema potrošnje energije. Znamo da je maksimalna ukupna snaga vazdušno hlađenog pojedinačnog ormara u data centrima 15kW. Sa istom stopom rasta, rast snage koji donose GPU serveri približio se granici jednog ormarića. Međutim, potrošnja energije GPU-a i dalje se stalno povećava. Suočeni s velikom potrošnjom energije i scenarijima velike gustine, tradicionalno hlađenje zrakom očigledno nije u stanju zadovoljiti potrebe za potrošnjom energije i rasipanjem topline. Tehnologija hlađenja tekućinom, sa svojom ultra visokom energetskom efikasnošću i ultra visokom gustinom topline, postala je neophodna opcija za rješenja za kontrolu temperature u inteligentnim računskim centrima.

U tradicionalnim zračnim hlađenim podatkovnim centrima, potrošnja energije za hlađenje opreme i odvođenje topline je čak 40%, a efikasnost odvođenja topline nije visoka. Zbog svojih ograničenja, konvencionalno zračno hlađenje u podatkovnim centrima je općenito dizajnirano sa gustinom jednog ormarića od 8-10kW. Zbog toplinske provodljivosti tehnologije tekućeg hlađenja koja je 25 puta veća od zraka i prenosi skoro 3000 puta više topline od iste zapremine zraka, lako može postići gustinu jednog ormarića od preko 30 kW. Stoga, može uštedjeti mnogo prostora, dodatno poboljšati gustinu postavljanja ormara u jednom podatkovnom centru i poboljšati stopu iskorištenja jedinice centra podataka.
Međutim, trenutno ne postoji jedinstvena tehnologija i standard konstrukcije u industriji tekućeg hlađenja, a u poređenju sa tradicionalnim vazdušnim hlađenjem, troškovi izgradnje data centara sa tečnim hlađenjem su i dalje previsoki. Brz razvoj tehnologije tekućeg hlađenja i nedostatak jedinstvene tehnologije i standarda izgradnje doveli su do značajnih izazova za kasnije upravljanje i održavanje.

Trenutno, glavne tehnologije hlađenja tekućinom uključuju tehnologiju indirektnog hlađenja tekućinom koju predstavlja sistem za hlađenje tekućine s hladnom pločom i tehnologiju direktnog hlađenja tekućinom koju predstavlja sistem za hlađenje tečnim uronjavanjem. Zbog razlika u dizajnu odvođenja toplote između njih, postoje i značajne razlike u efikasnosti odvođenja toplote.

Tehnologija indirektnog odvođenja toplote se postiže dodirom površina CPU-a, memorije, GPU-a, tvrdih diskova i drugih medija kao što su hladne ploče, koristeći protok rashladne tečnosti za odnošenje toplote. Osim hladnih ploča i drugih medija, tehnologija indirektnog hlađenja tekućinom također uključuje komponente kao što su izmjenjivači topline, cjevovodi, pumpe, rashladna tekućina i kontrolni sistemi. Sistem za hlađenje tečnosti sa hladnom pločom postao je glavno rešenje za tehnologiju indirektnog tečnog hlađenja. Glavne prednosti tehnologije indirektnog hlađenja tekućinom su to što ne zahtijeva promjenu oblika postojećih servera, ima nisku tehničku poteškoću u dizajnu, relativno nisku poteškoću u implementaciji i relativno niske poteškoće u kasnijem upravljanju radom i održavanjem. Osim toga, zbog upotrebe vodenog rastvora etilen glikola kao rashladnog medija, trošak je niži.
Nedostatak je što je efikasnost odvođenja toplote relativno niska, a zbog velikog broja komponenti stopa kvara je relativno veća. Trenutno je sistem za hlađenje tečnim pločama postao preferirano rešenje za većinu data centara.

Tehnologija direktnog tečnog hlađenja odnosi se na direktan kontakt između CPU-a, GPU-a, matične ploče, memorije itd. i rashladne tečnosti, koja direktno teče kroz hardversku površinu da apsorbuje i odvodi toplotu. Trenutno tehnologija direktnog tečnog hlađenja uključuje sisteme za hlađenje tečnim uronjavanjem i sisteme za hlađenje tečnim raspršivanjem. U zavisnosti od toga da li rashladni medij prolazi kroz faznu promjenu, može se podijeliti na jednofazno uranjanje i uranjanje s promjenom faze.
U poređenju sa tehnologijom indirektnog odvođenja toplote, tehnologija direktnog tečnog hlađenja nema posredni provodni medij između tečnosti i izvora toplote, a toplota se može direktno preneti na tečnost, što rezultira većom efikasnošću odvođenja toplote. Međutim, tehnologiju direktnog tekućeg hlađenja je teže i skuplje primijeniti zbog potrebe za redizajniranjem i transformacijom cijelog podatkovnog centra. Trenutno se tehnologija direktnog hlađenja tekućinom uglavnom koristi u scenarijima koji zahtijevaju visoku efikasnost odvođenja topline.

Trenutno, kako sistem za hlađenje tečnim pločama postaje zreliji, postat će glavna tehnologija hlađenja tekućinom koja prva ulazi u centre podataka. Razvojem tehnologije i standardizacijom bit će riješeni i troškovi, rad i održavanje, sigurnost i druga pitanja koja utiču na popularizaciju tehnologije hlađenja hladnim pločama.
Uz kontinuirani razvoj tehnologije, sistemi za hlađenje uronjene tekućine će se također široko koristiti u novim podatkovnim centrima velike gustine, dodatno poboljšavajući efikasnost rasipanje topline u podatkovnim centrima i značajno povećavajući nivoe računarske snage.