Teknologi Penyejukan Cecair: Menangani Cabaran Penyejukan Pusat Data dalam Era AIGC

 

Dengan perkembangan pesat Kandungan Dijana Kecerdasan Buatan (AIGC), permintaan untuk kuasa pengkomputeran telah meletup, membawa kepada peningkatan mendadak dalam penggunaan kuasa dan keperluan pengurusan haba pusat data. Keperluan sumber pengkomputeran yang tinggi semasa latihan model AI dan inferens meningkatkan penjanaan haba pelayan dengan ketara, meningkatkan bar untuk teknologi penyejukan. Menurut laporan oleh Colocation America, purata kuasa setiap kabinet di pusat data global telah meningkat kepada 16.5 kW menjelang 2020, meningkat 175% berbanding 2008. Akibatnya, teknologi penyejukan cecair telah menjadi titik fokus baharu untuk penyejukan pusat data penyelesaian.

 

Pada persidangan GTC tahun ini, NVIDIA bukan sahaja mempamerkan cip B200 dan GB200 tetapi juga menyerlahkan teknologi penyejukan cecair yang disertakan. Selain itu, pada Sidang Kemuncak Ekonomi SIEPR 2024, Ketua Pegawai Eksekutif NVIDIA Jensen Huang mendedahkan bahawa pelayan GPU DGX generasi akan datang akan menggunakan penyejukan cecair sepenuhnya. Keputusan NVIDIA telah menetapkan trend dalam industri, menyuntik momentum baharu ke dalam pembangunan teknologi penyejukan cecair. Memandangkan teknologi AI terus berkembang, kepentingan penyejukan cecair menjadi semakin jelas. Teknologi penyejukan cecair bukan sahaja mengurangkan penggunaan tenaga pusat data dengan ketara tetapi juga meningkatkan kecekapan operasi pelayan dan memanjangkan jangka hayat peralatan. Oleh itu, penyejukan cecair secara beransur-ansur menjadi pertimbangan keutamaan untuk penyelesaian penyejukan pusat data.

 

 

I Perbandingan Kaedah Penyejukan Pusat Data

 

Pada masa ini, sistem penyejukan pusat data terbahagi terutamanya kepada dua jenis: penyejukan udara dan penyejukan cecair. Teknologi penyejukan cecair menggantikan udara dengan medium cecair untuk menukar haba dengan komponen penjana haba pelayan, dengan itu membawa pergi haba dan memastikan pelayan beroperasi secara stabil dalam julat suhu optimum. Sebaliknya, penyejukan udara bergantung pada kipas dan sistem penghawa dingin untuk menghilangkan haba melalui pergerakan udara. Penyejukan cecair menyejukkan terus komponen penjana haba, mencapai kecekapan pengaliran haba 25 kali lebih besar daripada udara, dengan kapasiti haba tertentu 1,000 hingga 3,500 kali lebih tinggi dan kecekapan pemindahan haba perolakan 10 hingga 40 kali lebih besar daripada udara. Oleh itu, dalam keadaan yang sama, teknologi penyejukan cecair jauh mengatasi penyejukan udara dalam kecekapan penyejukan.

 

▲ Sistem penyejukan pusat data

 

▲ Teknologi penyejukan cecair & Penyejukan udara

 

Berbanding dengan penyejukan udara, penyejukan cecair memberikan kecekapan penyejukan yang lebih tinggi dan penggunaan tenaga yang lebih rendah. Dalam persekitaran pengkomputeran berketumpatan tinggi, sistem penyejukan udara sering bergelut untuk memenuhi permintaan penyejukan, manakala penyejukan cecair boleh menangani cabaran ini dengan berkesan. Selain itu, penyejukan cecair menawarkan kelebihan seperti bunyi yang rendah dan jejak yang lebih kecil, menjadikannya sangat sesuai untuk konfigurasi berketumpatan tinggi dan keperluan penjimatan tenaga hijau bagi pusat data moden.

 

 

II Apakah yang Mendorong Perkembangan Penyejukan Cecair dalam Era AI?

 

1. Kuasa Haba Meningkat Cip Pengkomputeran: Penyejukan Udara Mencapai Hadnya

Dengan perkembangan pesat teknologi AI, permintaan untuk kuasa pengkomputeran terus meningkat, membawa kepada peningkatan penjanaan haba dan ketumpatan fluks haba dalam cip. Apabila cip beroperasi pada suhu tinggi untuk tempoh yang lama, prestasi dan jangka hayatnya terjejas secara negatif, dan kadar kegagalan meningkat. Penyelidikan menunjukkan bahawa apabila suhu pengendalian cip menghampiri 70-80 darjah , setiap peningkatan 10 darjah boleh mengurangkan prestasinya sebanyak kira-kira 50%.

 

Pada masa ini, CPU Intel mempunyai kuasa reka bentuk terma (TDP) sehingga 350W, H100 NVIDIA mencapai 700W dan B100 masa hadapan boleh mencapai 1,000W, menghampiri had penyejukan satu titik 800W penyejukan udara. Memandangkan penggunaan kuasa cip pengkomputeran terus berkembang, dan dengan penggunaan kuasa CPU dan GPU menyumbang kira-kira 80% daripada jumlah kuasa pelayan AI, terus menggunakan penyejukan udara akan membawa kepada peningkatan ketara dalam keperluan penyaman udara dalam baris. Dalam senario penyejukan berketumpatan tinggi, penyejukan cecair menawarkan kelebihan kos dan prestasi yang ketara.

 

Selain dari bahagian cip, ketumpatan kuasa setiap kabinet di pusat data juga semakin meningkat. Penyejukan udara tradisional biasanya memenuhi keperluan penyejukan kabinet dalam julat 12KW hingga 15KW. MenurutLaporan Tinjauan Pusat Data Global 2022oleh Uptime Institute, kuasa maksimum untuk pelayan NVIDIA DGX A100 tunggal ialah 6.5KW, dan kabinet tinggi standard 42U boleh menempatkan sekitar lima pelayan AI tinggi 5U, dengan jumlah kuasa melebihi 20KW setiap kabinet. Penyejukan udara tradisional tidak dapat memenuhi keperluan penyejukan kabinet pelayan AI.

 

2. Didorong oleh Keperluan Penjimatan Tenaga Pusat Data: Keperluan PUE yang Lebih Tinggi

PUE (Keberkesanan Penggunaan Kuasa) ialah penunjuk utama untuk menilai kecekapan tenaga pusat data, dikira sebagai: PUE=Jumlah Penggunaan Tenaga Pusat Data / Penggunaan Tenaga Peralatan IT. Semakin hampir nilai PUE kepada 1, semakin tinggi kecekapan tenaga pusat data; sebaliknya, semakin tinggi nilai PUE, semakin rendah kecekapan keseluruhan.

 

Statistik membahagikan penggunaan kuasa pusat data kepada beberapa bahagian: peralatan IT menyumbang 45%, sistem penyejukan sebanyak 43%, sistem bekalan kuasa dan pengedaran sebanyak 10%, dan pencahayaan dan kegunaan lain sebanyak 2%. Antaranya, penggunaan tenaga sistem penyaman udara adalah yang kedua selepas peralatan IT, jadi mengurangkan penggunaan tenaga sistem penyaman udara menjadi sangat penting apabila sistem IT tidak dapat dinaik taraf.

 

Dalam konteks matlamat kebangsaan untuk mencapai "puncak karbon" dan "berkecuali karbon" dan strategi "Data Timur, Pengiraan Barat", yang baru dikeluarkanPiawaian Permintaan Perolehan Kerajaan Pusat Data Hijau (Percubaan)mengenakan keperluan PUE yang lebih ketat.Piawaian ini menetapkan bahawa mulai Jun 2023, PUE pusat data tidak boleh melebihi 1.4, dan menjelang 2025, keperluan akan menjadi PUE tidak lebih daripada 1.3. Menurut data daripada CDCC dan Inspur Information, pusat data yang menggunakan penyejukan udara biasanya mempunyai PUE antara 1.4 dan 1.5, manakala teknologi penyejukan cecair boleh mengurangkan PUE kepada di bawah 1.2. Oleh itu, penggunaan teknologi penyejukan cecair yang lebih cekap tenaga dan berkesan telah menjadi satu trend.

 

Penggunaan tenaga di pusat data telah lama menjadi tumpuan perhatian industri, terutamanya dengan latar belakang kekangan sumber tenaga global dan kesedaran alam sekitar yang semakin meningkat. Meningkatkan kecekapan tenaga pusat data amat penting. Teknologi penyejukan cecair, dengan menyediakan penyelesaian penyejukan yang lebih cekap, mengurangkan penggunaan tenaga sistem penyaman udara, seterusnya menurunkan nilai PUE pusat data dengan ketara. Teknologi ini bukan sahaja membantu mengurangkan kos operasi tetapi juga mengurangkan pelepasan karbon, sejajar dengan matlamat pembangunan mampan.

 

 

▲ Penggunaan Tenaga Pusat Data

 

 

III Klasifikasi Teknologi Penyejukan Cecair

 

Sistem penyejukan cecair boleh dikelaskan kepada penyejukan cecair langsung dan penyejukan cecair tidak langsung berdasarkan cara cecair berinteraksi dengan perkakasan. Penyejukan cecair langsung melibatkan cecair yang bersentuhan langsung dengan komponen perkakasan untuk memindahkan haba. Kaedah ini boleh dibahagikan lagi kepada penyejukan rendaman dan penyejukan semburan. Penyejukan rendaman menenggelamkan komponen perkakasan sepenuhnya dalam cecair, manakala penyejukan semburan melibatkan penyemburan cecair terus ke perkakasan.

 

Penyejukan cecair tidak langsung, sebaliknya, menggunakan komponen perantara (seperti penukar haba atau plat penyejuk) untuk mengalirkan haba, menghalang cecair daripada terus menghubungi perkakasan. Sistem penyejukan cecair tidak langsung yang biasa ialah sistem penyejukan cecair plat sejuk, yang boleh dibahagikan lagi kepada penyejukan plat sejuk fasa tunggal dan dua fasa berdasarkan sama ada medium penyejukan mengalami perubahan fasa.

 

▲ Pengenalan kepada Kaedah Penyejukan Cecair

 

1. Dari Plat Sejuk kepada Plat Sejuk Rendaman

Teknologi penyejukan cecair memindahkan haba daripada komponen penjana haba kepada cecair penyejuk melalui plat sejuk, dan cecair penyejuk kemudiannya menghilangkan haba melalui sifat penyejukannya. Dalam sistem ini, cecair kerja tidak langsung menghubungi komponen elektronik, menyebabkan pengubahsuaian minimum pada sistem komputer. Sinki haba penyejuk udara asal hanya boleh digantikan dengan kit penyejuk cecair, dan paip penyejuk boleh disalurkan ke luar casis. Teknologi ini amat sesuai untuk keperluan penyejukan dengan ketumpatan fluks haba sederhana hingga tinggi.

 

Sistem penyejukan cecair plat sejuk terutamanya terdiri daripada menara penyejuk, Unit Pengedaran Penyejuk (CDU), litar penyejukan cecair primer & sekunder, medium penyejuk dan kabinet penyejuk cecair. Litar primer merujuk kepada gelung yang mengeluarkan haba dari litar sekunder ke persekitaran luar atau unit pemulihan haba yang lain, manakala litar sekunder merujuk kepada gelung yang mengeluarkan haba daripada pelayan dan menghilangkannya melalui litar utama. Kedua-dua litar menukar haba melalui CDU, atau Unit Pengedaran Penyejuk.

 

Prinsip kerja sistem penyejukan cecair plat sejuk agak mudah, tetapi dalam aplikasi praktikal, pertimbangan perlu dibuat untuk reka bentuk plat sejuk, pemilihan cecair penyejuk, dan penyelenggaraan sistem. Selain itu, sistem penyejukan cecair plat sejuk berprestasi sangat baik dalam persekitaran ketumpatan fluks haba yang tinggi, menjadikannya sangat sesuai untuk keperluan susun atur berketumpatan tinggi pusat data moden.

 

▲ Gambarajah Skema Sistem Penyejukan Cecair Plat Sejuk

 

Sistem penyejukan cecair rendaman mencapai pelesapan haba yang cekap dengan menenggelamkan terus komponen penjana haba dalam cecair penyejuk bukan konduktif. Bergantung pada sama ada cecair penyejuk mengalami perubahan fasa semasa peredaran, penyejukan cecair rendaman boleh dibahagikan kepada penyejukan rendaman satu fasa dan penyejukan rendaman dua fasa.

 

Dalam penyejukan rendaman satu fasa, cecair penyejuk hanya mengalami perubahan suhu semasa proses pertukaran haba tanpa perubahan fasa. Pemindahan haba bergantung sepenuhnya pada perubahan haba yang wajar bagi cecair, menggunakan ciri bahawa cecair mengembang dan berkurangan ketumpatan apabila dipanaskan. Cecair penyejuk yang lebih panas naik secara semula jadi dan disejukkan oleh penukar haba gelung penyejuk luaran. Cecair yang disejukkan kemudian tenggelam di bawah graviti, melengkapkan kitaran penyejukan. Dalam kaedah ini, cecair penyejuk kekal dalam keadaan cecair sepanjang keseluruhan proses. Sebaliknya, penyejukan rendaman dua fasa melibatkan cecair penyejuk yang mengalami perubahan fasa daripada cecair kepada gas semasa pelesapan haba dan kemudian kembali daripada gas kepada cecair.

 

Sistem penyejukan cecair rendaman merangkumi komponen dalaman dan luaran. Bahagian luar termasuk menara penyejuk, rangkaian saluran paip utama, dan cecair penyejuk utama; bahagian dalam termasuk Unit Pengedaran Penyejuk (CDU), tangki rendaman (kabinet), peralatan IT, rangkaian saluran paip sekunder dan cecair penyejuk sekunder. Semasa penggunaan, peralatan IT direndam sepenuhnya dalam cecair penyejuk, jadi pemilihan cecair penyejuk perlu mempertimbangkan cecair tidak konduktif, seperti minyak silikon atau cecair berfluorinasi.

 

▲ Gambarajah Skema Penyejukan Cecair Perendaman Satu Fasa

 

Walaupun penyejukan semburan wujud, aplikasinya agak terhad dan tidak sesuai untuk pelayan berketumpatan tinggi dan pusat data berskala besar. Dalam jangka pendek, penyejukan cecair plat sejuk sangat sesuai untuk keperluan penyejukan era AI dan peralihan pusat data daripada penyejukan udara kepada penyejukan cecair kerana kematangannya, keserasian dengan sistem sedia ada, kemudahan penyelenggaraan dan kos pengubahsuaian yang rendah . Dalam jangka masa panjang, penyejukan cecair rendaman, dengan kekonduksian terma yang sangat baik, keupayaan pemulihan haba sisa yang cekap, dan sokongan untuk kuasa kabinet yang lebih tinggi, akan lebih sesuai untuk keperluan penyejukan yang berkembang bagi pusat data masa hadapan. Terutamanya apabila kuasa unit kabinet terus meningkat, penyejukan cecair rendaman boleh memberikan penyelesaian penyejukan yang lebih cekap, membantu mengurangkan Keberkesanan Penggunaan Kuasa (PUE) keseluruhan pusat data.

 

2. Pilihan Pilihan untuk Pusat Pengkomputeran Pintar – Penyejukan Cecair

Apabila ketumpatan kuasa meningkat, penyelesaian penyejukan cecair menjadi pilihan untuk lebih banyak pusat pengkomputeran GPU yang baru dibina. Menurut laporan "Penjejak Pasaran Pelayan Cecair Separuh Tahunan China (H1 2023)" IDC, pasaran pelayan sejuk cecair China mencecah $1.51 bilion pada 2023. IDC meramalkan bahawa dari 2022 hingga 2027, kadar pertumbuhan tahunan kompaun sebanyak pasaran pelayan sejuk cecair China akan mencapai 54.7%, dengan saiz pasaran dijangka mencecah $8.9 bilion menjelang 2027.

 

Aplikasi teknologi penyejukan cecair di pusat pengkomputeran pintar bukan sahaja meningkatkan prestasi pengkomputeran tetapi juga mengurangkan penggunaan tenaga dan kos operasi dengan ketara. Promosi teknologi penyejukan cecair akan memacu pusat data ke arah pembangunan yang lebih cekap, hijau dan pintar, menyediakan asas yang kukuh untuk memenuhi keperluan pemprosesan data dalam era AI.

 

▲ Saiz Pasaran Pelayan Penyejuk Cecair

 

IV Rantaian Industri Penyejukan Cecair

 

Rantaian industri penyejukan cecair merangkumi tiga segmen utama: pembekal komponen produk huluan, pengeluar pelayan penyejuk cecair pertengahan dan pengguna kuasa pengkomputeran hiliran. Di kalangan pengguna hiliran semasa, syarikat domestik seperti Alibaba menumpukan pada pembangunan penyejukan cecair rendaman satu fasa, manakala yang lain, seperti Baidu, Tencent dan JD.com, terutamanya menggunakan penyejukan cecair plat sejuk. Di luar negara, penyejukan rendaman lebih maju daripada penyejukan plat sejuk, dengan syarikat terkemuka AS seperti Intel, Google dan Meta memacu perkembangan pesat penyejukan cecair rendaman, terutamanya dengan sokongan AI.

 

▲ Rantaian Industri Penyejukan Cecair

 

 

V Potensi Isu dengan Teknologi Penyejukan Cecair Perendaman

 

1. Pemilihan Bahan Penyejuk

Bahan penyejuk adalah salah satu bahan mentah utama dalam teknologi penyejukan cecair dan memberikan halangan teknikal yang tinggi. Dalam teknologi penyejukan cecair rendaman, penyejuk perlu menghubungi terus produk elektronik, sekali gus mengenakan keperluan tinggi pada prestasi penyejuk, seperti kekonduksian terma yang sangat baik, penebat yang baik dan keserasian bahan. Selain itu, ciri-ciri alam sekitar seperti bau, ketoksikan, dan kemudahan degradasi juga penting, dan penyejuk haruslah mesra pengguna dan mesra alam yang mungkin.

 

Penyejuk rendaman yang paling biasa digunakan pada masa ini termasuk hidrokarbon dan organosilikon (biasanya dirujuk sebagai "minyak," seperti minyak mineral) dan sebatian berfluorinasi (seperti cecair berfluorinasi). Cecair berfluorinasi mempunyai prestasi keseluruhan yang baik dan dianggap sebagai bahan penyejuk cecair yang ideal. Walau bagaimanapun, cabaran utama dengan cecair berfluorinasi ialah kosnya yang tinggi. Dengan keperluan perlindungan alam sekitar yang semakin ketat, minyak silikon, yang mempunyai kekonduksian terma yang lebih tinggi dan ketumpatan yang lebih rendah, juga lebih mesra alam. Pilihan medium penyejukan terutamanya bergantung kepada proses penyejukan.

 

2. Isu Pengedap Laluan Optik

Bahan penyejuk seperti cecair berfluorinasi atau minyak silikon mempunyai sifat penebat yang sangat baik, dengan berkesan menghalang litar pintas litar. Di bawah keadaan isyarat frekuensi rendah, penyejuk ini mempunyai gangguan minimum dengan penghantaran isyarat. Walau bagaimanapun, di bawah isyarat frekuensi tinggi, kesan penyejuk pada penghantaran isyarat memerlukan penilaian dan kawalan yang teliti. Secara keseluruhan, kesan pada litar boleh diurus.

 

Mengenai laluan optik, kebanyakan modul optik di pusat data direka bentuk dengan pembungkusan bukan hermetik, bermakna tanpa pengubahsuaian yang sesuai, penyejuk boleh memasuki rongga optik, menjejaskan prestasi optik. Walaupun dengan pembungkusan hermetik, beberapa laluan optik pasif, seperti kanta, kekal di luar ruang hermetik.

 

Reka bentuk laluan optik biasanya berdasarkan indeks biasan udara (kira-kira 1.0). Apabila komponen optik direndam dalam penyejuk, indeks biasan penyejuk, yang berbeza daripada udara, boleh menyebabkan perubahan dalam titik fokus dan kecekapan gandingan. Sebagai contoh, indeks biasan minyak berfluorinasi biasanya sekitar 1.3, dan perubahan dalam indeks biasan ini mungkin memerlukan pelarasan kepada parameter reka bentuk laluan optik.

 

Untuk menangani potensi kesan penyejukan cecair rendaman pada laluan optik dan elektrik, industri mengambil pelbagai langkah, seperti membangunkan teknologi pembungkusan modul optik baharu yang disesuaikan dengan persekitaran penyejuk, mengoptimumkan reka bentuk litar untuk isyarat frekuensi tinggi, dan menyelidik bahan optik dan struktur yang lebih sesuai untuk penyejukan rendaman.

 

3. Penghantaran Bersepadu lwn. Penghantaran Berpisah

Pada masa ini, terdapat tiga model penghantaran untuk pelayan sejuk cecair plat sejuk:

① Bahagian peralatan IT hanya menghantar pelayan yang disejukkan cecair;

② Bahagian IT menyampaikan "pelayan sejuk cecair + kabinet sejuk cecair";

③ Bahagian IT menyampaikan "pelayan sejuk cecair + kabinet sejuk cecair + CDU + litar sekunder".

 

Model penghantaran ketiga, penghantaran bersepadu, di mana keseluruhan kabinet dihantar oleh pengeluar yang sama dengan piawaian yang ditentukan sendiri untuk reka bentuk dan pembangunan bersepadu, adalah yang paling banyak digunakan. Penghantaran dipisahkan melibatkan mengikut spesifikasi reka bentuk antara muka yang ditentukan pengguna antara kabinet sejuk cecair dan pelayan sejuk cecair, dengan kabinet dan pelayan dihantar oleh pengeluar yang berbeza. Pengilang infrastruktur dan pelayan perlu menyelaras dan bekerjasama. Penghantaran yang dipisahkan lebih mudah untuk skala dan digunakan secara fleksibel.

 

▲ Pembezaan Mod Penghantaran Pelayan Sejuk Cecair Plat Sejuk

 

Pada masa ini, tahap penyeragaman dalam teknologi penyejukan cecair di China agak rendah. Peralatan pelayan yang berbeza, penyejuk, saluran paip penyejukan dan produk bekalan kuasa berbeza dalam bentuk, dan tiada standard antara muka bersatu, yang memberikan cabaran untuk penyeragaman dan aplikasi berskala besar. Kertas putih yang diterbitkan oleh tiga pengendali telekomunikasi domestik utama menggariskan visi tiga tahun untuk teknologi penyejukan cecair, mengesahkan dan menguji teknologi secara beransur-ansur, dengan rancangan untuk memulakan aplikasi penyejukan cecair berskala besar menjelang 2025. Dijangkakan lebih 50% daripada projek data akan mengguna pakai teknologi ini, menggalakkan penyeragaman dan pelaksanaan berskala besar bagi penyejukan cecair dan menyokong penghantaran terpisah.