Kluczowe punkty chłodzenia cieczą w ewolucji i praktycznych zastosowaniach mocy obliczeniowej AI
Sep 25, 2024
Zostaw wiadomość
W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem technologii takich jak sztuczna inteligencja, big data i duże modele, zapotrzebowanie na wydajne chłodzenie stale rośnie. Technologia chłodzenia cieczą zyskała szerokie zainteresowanie i zastosowanie. Wiele znanych firm zainwestowało w badania i zastosowanie technologii chłodzenia cieczą, napędzając jej ciągłe innowacje i rozwój. Zastosowanie technologii chłodzenia cieczą stopniowo rozszerza się także w takich dziedzinach, jak komunikacja 5G i przetwarzanie brzegowe, zapewniając silne wsparcie dla ich rozwoju.
Według agencji zajmujących się badaniem rynku oczekuje się, że w nadchodzących latach światowy rynek chłodzenia cieczą utrzyma szybki wzrost, osiągając miliardy dolarów do 2025 r. Na rynku chińskim stopniowo zwiększa się również zastosowanie technologii chłodzenia cieczą, a wielkość rynku ma się podwoić w ciągu najbliższych kilku lat.
I Ewolucja mocy obliczeniowej i chłodzenia
W ewolucji mocy obliczeniowej kluczową rolę odgrywa chłodzenie. Każdemu większemu przełomowi w mocy obliczeniowej często towarzyszą ulepszenia technologii chłodzenia. Na początku podstawową metodą było chłodzenie powietrzem, wykorzystujące wentylatory do przemieszczania powietrza i rozpraszania ciepła. Jest to bardziej tradycyjna i powszechna metoda chłodzenia.
Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej i wzrostem wytwarzania ciepła pojawiła się bardziej wydajna technologia chłodzenia rurkami cieplnymi. Rury cieplne przenoszą ciepło poprzez parowanie i kondensację płynu roboczego, zapewniając dobrą przewodność cieplną. Technologia chłodzenia cieczą stopniowo zyskała na znaczeniu, skutecznie pochłaniając i przenosząc ciepło przez krążącą ciecz, zapewniając wyższą wydajność w porównaniu do chłodzenia powietrzem. Ponieważ wymagania obliczeniowe w systemach heterogenicznych, HPC i AI stale rosną, znaczenie chłodzenia cieczą staje się coraz bardziej widoczne.
▲ Za ewolucją technologii chłodzenia stoi ciągła filtracja technologii chipów
Zaawansowane pakowanie stało się kluczową ścieżką rozszerzenia prawa Moore'a w miarę zbliżania się procesów półprzewodnikowych do fizycznych granic. Oprócz zmniejszania rozmiarów urządzeń poprzez technologie procesowe, opracowywania nowych materiałów i ulepszania struktur obwodów w celu zwiększenia gęstości tranzystorów, ważnym kierunkiem jest także zmiana metod pakowania w celu zwiększenia pojemności układów scalonych. W scenariuszach takich jak wielochipowe pakowanie 2,5D i 3D, które zwiększają wydajność systemu, chłodzenie cieczą staje się niezbędne w wysokowydajnych rozwiązaniach chłodzących, ponieważ wzrasta moc systemu i gęstość cieplna w ramach sieci komputerowych.
Ponieważ szkolenie i wnioskowanie AI rekonstruuje architektury sieci obliczeniowych, tempo wzrostu parametrów dużych modeli jest znacznie szybsze niż w przypadku pamięci GPU. Systemy o wysokiej integracji, dużej pamięci i wielu procesorach graficznych lepiej nadają się do uczenia i wnioskowania dużych modeli. Przy znacznie zwiększonej gęstości chipów w szafach AIDC, ewolucja od tradycyjnego chłodzenia do wydajnego chłodzenia cieczą jest nieunikniona.
▲ Szafy AIDC
II Scenariusze zastosowań i technologia chłodzenia cieczą
Na poziomie chipa, gdy typowy pobór mocy chipa przekracza 300 W, wymagane jest chłodzenie cieczą, aby zapewnić uwolnienie mocy obliczeniowej. Na poziomie systemu moc serwerów AI wzrosła z poziomu 10 kW do kilkudziesięciu kW na szafę, co stwarza pilną potrzebę wprowadzenia chłodzenia cieczą. Na poziomie centrum danych jedynym sposobem na zmniejszenie współczynnika PUE IDC z powyżej 1,5 do 1,2 jest zastosowanie chłodzenia cieczą.
Obecnie do głównych rozwiązań chłodzenia cieczą w Chinach zaliczają się chłodnie płytowe, zanurzeniowe i natryskowe, przy czym najczęściej stosowane są zimne płyty.
▲ Rodzaje zimnej płyty, zanurzenia i natrysku
▲ Zimna płyta, zanurzenie ze zmianą fazy, zanurzenie jednofazowe i chłodzenie natryskowe
Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących wydajności obliczeniowej, technologia chłodzenia cieczą odgrywa kluczową rolę w następujących kluczowych scenariuszach zastosowań:
1. Centra danych:Chłodzenie serwerów i innego sprzętu IT w celu poprawy efektywności energetycznej i zmniejszenia kosztów operacyjnych.
2. Superkomputery:Obsługa zadań obliczeniowych na dużą skalę w celu zapewnienia wysokiej wydajności i stabilności.
3. Sztuczna inteligencja:Szkolenie i uruchamianie modeli głębokiego uczenia się w celu przyspieszenia obliczeń.
4. Wyroby medyczne:Utrzymywanie sprzętu takiego jak urządzenia MRI w temperaturze roboczej.
5. Produkcja przemysłowa:Chłodzenie urządzeń do przetwarzania w celu poprawy wydajności produkcji i jakości produktu.
6. Pojazd elektryczny:Chłodzenie akumulatorów w celu przedłużenia ich żywotności i poprawy bezpieczeństwa.
7. Przemysł lotniczy:Chłodzenie elektroniki i podzespołów silnika.
8. Badania:Chłodzenie różnych urządzeń doświadczalnych.
9. Komputery do gier:Dostarczanie wysokowydajnych rozwiązań chłodzących.
10. Kopanie kryptowalut:Utrzymanie sprawnej pracy urządzeń górniczych.
III Trendy rozwojowe w technologii chłodzenia cieczą
W kontekście oszczędzania energii i redukcji emisji, zalety technologii chłodzenia cieczą stopniowo stają się widoczne i pojawia się kilka nowych trendów:
1. Wyższa wydajność:Ciągła poprawa wydajności chłodzenia, aby sprostać rosnącym wymaganiom obliczeniowym.
2. Niższe zużycie energii:Zmniejszenie zużycia energii dzięki zoptymalizowanej konstrukcji i materiałom.
3. Szersze zastosowania:Rozszerzenie działalności na więcej dziedzin, takich jak komunikacja 5G i przetwarzanie brzegowe.
4. Inteligentne zarządzanie:Osiągnięcie inteligentnego monitorowania i zarządzania systemami chłodzenia cieczą.
5. Zrównoważony rozwój środowiska:Stosowanie przyjaznych dla środowiska chłodziw i materiałów.
6. Zintegrowany projekt:Integracja z innymi technologiami w celu poprawy ogólnej wydajności systemu.
7. Redukcja kosztów:Obniżanie kosztów w miarę dojrzewania i skalowania technologii.
8. Zwiększona niezawodność:Zwiększanie ogólnej niezawodności i stabilności systemów chłodzenia cieczą.
9. Indywidualne rozwiązania:Dostarczanie niestandardowych rozwiązań chłodzenia cieczą dla różnych scenariuszy zastosowań.
10. Odzysk ciepła:Badanie ponownego wykorzystania ciepła generowanego przez systemy chłodzenia cieczą.
IV Charakterystyka i scenariusze zastosowań popularnych technologii chłodzenia cieczą
▲ Charakterystyka i scenariusze zastosowań popularnych technologii chłodzenia cieczą
V Ograniczeniem mocy obliczeniowej jest prąd
Omawiając „East Data West Computation”, ponieważ IDC/AIDC to branże energochłonne, praktyczną potrzebą jest dopasowanie mocy obliczeniowej do energii elektrycznej. Według Omdia 2020 globalne zużycie energii elektrycznej przez centra danych stanowi 2% całkowitego zużycia energii elektrycznej w społeczeństwie.
PUE jest ważnym standardem oceny wykonalności ekonomicznej i energochłonności projektów IDC. „East Data West Computation” wymaga poziomów PUE centrum danych wyższych niż obecne standardy (zazwyczaj wymaganie PUE około 1,2 w przypadku projektów krajowych). Podstawą osiągnięcia celów w zakresie oszczędności energii jest kontrola temperatury w energooszczędnych urządzeniach. „East Data West Computation” oznacza znaczny wzrost ogólnego poziomu mocy obliczeniowej Chin, a zapotrzebowanie na wspomagający sprzęt chłodzący z kontrolą temperatury i sprzęt oszczędzający energię będzie wzrastać jednocześnie.
PUE=Całkowite zużycie energii IDC / zużycie energii przez sprzęt IT
Zużycie energii przez sprzęt IT=moc znamionowa na szafę × liczba zasilanych szaf × 24 godziny × liczba dni w roku × współczynnik obciążenia
VI Poprawa ekonomiki chłodzenia cieczą
Rozbijając strukturę kosztów AIDC, penetracja chłodzenia cieczą wykazała już opłacalność ekonomiczną ze względu na gęstość mocy, a nie tylko koszt chłodzenia cieczą.
Z perspektywy Capexu:koszty budowy (koszt powierzchni), koszty dystrybucji energii (wydajność mocy) i koszty sprzętu do zarządzania ciepłem (chłodzenie powietrzem lub chłodzenie cieczą) stanowią większość inwestycji początkowej (nie uwzględniając sprzętu ICT, udział kosztów > 50%).
Z perspektywy Opexu:Podstawowymi bieżącymi kosztami operacyjnymi są energia elektryczna i amortyzacja (udział kosztów może przekroczyć 80%).
Podstawowym czynnikiem pomiaru ekonomiki chłodzenia cieczą są oszczędności energii elektrycznej osiągnięte dzięki optymalizacji PUE, zwiększonej gęstości oraz to, czy mogą one zrównoważyć dodatkową początkową inwestycję w sprzęt.
▲ Metoda poprawy ekonomiki chłodzenia cieczą
VII Logiczne ramy ekonomiki chłodzenia cieczą
W tradycyjnych kosztach budowy IDC głównymi czynnikami wpływającymi na ekonomiczną wykonalność projektu są budowa, dystrybucja energii i klimatyzacja. Wraz ze wzrostem gęstości mocy szaf znacznie wzrósł wpływ nakładów inwestycyjnych na sprzęt elektroenergetyczny i rocznych wydatków na energię elektryczną w modelu biznesowym IDC.
▲ Logiczne ramy ekonomiki chłodzenia cieczą
VIII Chłodzenie cieczą dla mocy obliczeniowej
Podobnie jak w przypadku systemu mocy obliczeniowej AI, wydajna i stabilna praca systemów magazynowania energii również wymaga rygorystycznych warunków temperatury i wilgotności. Temperatura ma bezpośredni wpływ na pojemność akumulatora i degradację wydajności i jest bezpośrednio powiązana z niekontrolowaną temperaturą. Obecnie do głównych technologii chłodzenia służących do magazynowania energii zalicza się chłodzenie powietrzem, chłodzenie cieczą, chłodzenie rurkami cieplnymi i chłodzenie ze zmianą fazy. Chłodzenie powietrzem i cieczą to główny nurt branży.
Według China Energy Storage Network koszt akumulatorów w systemach magazynowania energii stanowi około 55%, PCS – około 20%, BMS i EMS łącznie stanowią około 11%, a koszt zarządzania ciepłem waha się w granicach 2-4 % w zależności od wybranej technologii chłodzenia.
Wraz z budową stacji magazynowania energii o dużej pojemności i dużej gęstości, takich jak nowe elektrownie energetyczne i magazyny poza siecią, napędzanych przez duże grupy energetyczne i dużych integratorów systemów, wzrasta penetracja chłodzenia cieczą w magazynowaniu energii. Rozszerzenie kontroli temperatury magazynowania energii z precyzyjnej kontroli temperatury IDC, przemysłowej kontroli temperatury i nowej kontroli temperatury pojazdów energetycznych sugeruje możliwy przyszły rozwój.
▲ Systemy magazynowania energii
Koncentracja branży kontroli temperatury magazynowania energii na niższym szczeblu łańcucha dostaw jest wysoka, a siła przetargowa i dźwignia negocjacyjna są duże. Po ustaleniu kwalifikacji dostawców relacja jest sztywna, co sprawia, że przewaga pierwszego gracza staje się ważna. Certyfikacja głównych producentów chipów AI i terminali, wraz z możliwościami serwisowymi, to kluczowe bariery wejścia na rynek chłodzenia cieczą w mocy obliczeniowej.
Zastosowanie na dużą skalę systemów chłodzenia powietrzem i cieczą w magazynowaniu energii, wraz z szybkim wzrostem popytu, sprawia, że możliwości dostarczania produktów i kontrola kosztów mają kluczowe znaczenie. Niezbędne jest ograniczenie kosztów inwestycji w ICT i IDC poprzez produkcję i kontrolę kosztów.
Wraz ze wzrostem pojemności pamięci masowej rosną wymagania dotyczące dostosowywania produktów. Systemy chłodzenia cieczą wymagają dużego dostosowania pod względem liczby ścieżek przepływu, natężenia przepływu i prędkości przepływu, co skłania klientów do wybierania producentów posiadających możliwości wspólnego projektowania. Segment komponentów koncentruje się na produktach standardowych, charakteryzujących się znacznymi różnicami w działaniu pomiędzy produktami, natomiast segment systemów koncentruje się na produktach niestandardowych, wymagających zrozumienia technologii zarządzania ciepłem oraz wiedzy na temat systemów ICT i IDC.
Ⅸ Jak wybrać odpowiednią technologię chłodzenia cieczą
Wybór odpowiedniej technologii chłodzenia cieczą wymaga uwzględnienia następujących czynników:
- Potrzeby chłodzenia:Określ wymagania dotyczące chłodzenia swojego sprzętu lub systemu. Różne aplikacje i urządzenia mają różne wymagania dotyczące chłodzenia, np. obliczenia o wysokiej wydajności, centra danych lub komputery do gier, które mogą wymagać silniejszych możliwości chłodzenia.
- Typ technologii:Zapoznaj się z różnymi typami technologii chłodzenia cieczą, takimi jak płyta chłodząca, zanurzenie i natryskiwanie. Każda technologia ma swoją charakterystykę i obszary zastosowania, wymagające starannego doboru w oparciu o konkretne potrzeby.
- Koszt:Technologia chłodzenia cieczą zazwyczaj wiąże się z wyższymi kosztami, w tym kosztami sprzętu, instalacji i konserwacji. Wybierz technologię dostosowaną do Twojego budżetu.
- Wymagania przestrzenne:Systemy chłodzenia cieczą często wymagają pewnej przestrzeni do instalacji i obsługi. Weź pod uwagę rozmiar i ograniczenia przestrzenne swojego sprzętu.
- Niezawodność i konserwacja:Wybierz niezawodną technologię chłodzenia cieczą i dostawców, aby zapewnić stabilność i niezawodność systemu. Zrozum wymagania konserwacyjne systemu, aby ułatwić codzienną konserwację i rozwiązywanie problemów.
- Zgodność:Upewnij się, że technologia chłodzenia cieczą jest kompatybilna z Twoim sprzętem i komponentami, nie powodując uszkodzeń innych części.
- Wydajność i wydajność:Porównaj wydajność chłodzenia i efektywność różnych technologii chłodzenia cieczą i wybierz tę, która spełnia Twoje potrzeby.
- Względy ochrony środowiska i bezpieczeństwa:Weź pod uwagę wpływ na środowisko i bezpieczeństwo technologii chłodzenia cieczą, wybierając przyjazne dla środowiska, nietoksyczne i niepalne chłodziwa.
- Wsparcie techniczne i usługi:Wybierz dostawcę oferującego dobre wsparcie techniczne i obsługę posprzedażną, aby szybko rozwiązać problemy.
Biorąc wszystkie te czynniki pod uwagę, możesz wybrać najbardziej odpowiednią technologię chłodzenia cieczą dla swoich potrzeb. Przed podjęciem decyzji zaleca się skonsultowanie się z profesjonalnymi dostawcami technologii chłodzenia cieczą w celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji i zaleceń.
W miarę postępu technologicznego technologia chłodzenia cieczą stanie się bardziej dojrzała i powszechna, a jej zastosowania będą stale rozszerzane. W przyszłości chłodzenie cieczą może zostać zintegrowane ze sztuczną inteligencją i IoT, co doprowadzi do bardziej inteligentnego zarządzania ciepłem. Rozwój technologii chłodzenia cieczą przyniesie więcej możliwości i wyzwań różnym branżom, wymagając ciągłych innowacji i eksploracji.