Rechenzentren mit künstlicher Intelligenz setzen Flüssigkühlungslösungen ein, um das Wärmemanagement zu verbessern, wenn die Workloads für High-Performance Computing (HPC) zunehmen. Eine der gängigsten Optionen ist die Direct-to-Chip-Kühlung, die die hohen Wärmeübertragungseigenschaften der Flüssigkeit nutzt, um Wärme von einzelnen Prozessorchips zu entfernen.
Die luftunterstützte Flüssigkeitskühlung bietet einen strategischen Vorteil für Unternehmen, die künstliche Intelligenz (KI) nutzen und einen Wettbewerbsvorteil sichern möchten. Die Kombination effizienter Raum- und Direktkühlungsmethoden kann Unternehmen dabei helfen, die Energiekosten zu senken, die Leistung zu steigern und die Anforderungen von KI-Rechenzentren zu erfüllen.
Überblick über die Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum
Die weit verbreitete Einführung von HPC-Diensten wie KI, maschinelles Lernen (ML) und Datenanalysen führt zu einem schnellen Anstieg der Chip-, Server- und Rackdichten und des Stromverbrauchs. Da die Rackdichten auf 20 Kilowatt (kW) steigen und sich schnell 50 kW nähern, treiben die Wärmeniveaus der HPC-Infrastruktur die Fähigkeiten herkömmlicher Raumkühlungsmethoden an ihre Grenzen. Darüber hinaus steigt der globale Druck auf Rechenzentren und andere Unternehmen, den Stromverbrauch kontinuierlich zu senken. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, untersuchen Rechenzentrumsbetreiber ihre Flüssigkeitskühlungsoptionen (siehe Abbildung 1).
Die Flüssigkeitskühlung nutzt die höheren Wärmeübertragungseigenschaften von Wasser oder anderen dielektrischen Flüssigkeiten, um die Wärme von Serverkomponenten effizient abzuführen. Diese Lösung ist 3.000-mal effektiver als die alleinige Verwendung von Luftkühlung für HPC-Infrastrukturen, deren Wärmeniveau die Fähigkeiten herkömmlicher Methoden übertrifft. Die Flüssigkeitskühlung umfasst verschiedene Techniken zur Wärmeverwaltung in Rechenzentren mit künstlicher Intelligenz.
HPC-Kühloptionen
Die Betreiber von Rechenzentren verfolgen drei Ansätze für die Flüssigkeitskühlung: den Bau vollständig flüssigkeitsgekühlter Rechenzentren, die Nachrüstung luftgekühlter Anlagen zur Unterstützung flüssigkeitsgekühlter Racks in der Zukunft und die Integration der Flüssigkeitskühlung in bestehende luftgekühlte Anlagen. Die meisten Betreiber werden wahrscheinlich den letzteren Ansatz wählen, um die Kapazität zu erhöhen, unmittelbare Geschäftsanforderungen zu erfüllen und eine schnelle Kapitalrendite zu erzielen. Zu den Flüssigkeitskühlungsoptionen für die HPC-Infrastruktur gehören Rücktürwärmetauscher (RDHx), Direct-to-Chip-Kühlung und Immersionskühlung.
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Flüssigkeitskühlungsoptionen für Rechenzentren
Die Betreiber von Rechenzentren prüfen angesichts der zunehmenden Anzahl an datenverarbeitungsintensiven Anwendungen die Möglichkeiten der Flüssigkeitskühlung, um die Energieeffizienz zu erhöhen.
Verstehen der Direct-to-Chip-Kühlung
Direct-to-Chip-Kühlung ist eine fortschrittliche Wärmemanagementtechnologie, die hauptsächlich in Rechenzentren eingesetzt wird, die HPC-Hardware verwenden, um Wärme effizient abzuleiten. Bei diesem Verfahren wird ein sicheres dielektrisches flüssiges Kühlmittel direkt über die Oberflächen von Computerchips über Kühlplatten zirkuliert, um Wärme effizient aufzunehmen und zu entfernen (siehe Abbildung 2). Dadurch können die Temperaturen der Prozessoren auf optimalem Niveau gehalten werden, unabhängig von der Last und dem äußeren Klima.
Direct-to-Chip-Kühlung verbessert die Energieeffizienz, minimiert das Überhitzungsrisiko und verbessert die Gesamtsystemleistung. HPC-Rechenzentrumsbetreiber betrachten diesen Ansatz als effiziente Kühlmethode für Rechenzentren, da die Kühlung direkt auf die wärmeerzeugenden Komponenten von Prozessoren und anderer Hardware angewendet wird. Diese Technologie ist besonders wichtig, da Rechenzentren sich weiterentwickeln, um steigende Rechenanforderungen zu bewältigen und eine höhere Dichte und Effizienz anzustreben.
Grundlegende Komponenten von Direct-to-Chip-Kühlsystemen
Direct-to-Chip-Kühlung leitet Wärme direkt vom Chip ab, sodass Rechenzentren höhere Rack-Dichten unterstützen und gleichzeitig die Energieeffizienz maximieren können. Diese Flüssigkeitskühlungslösung besteht aus mehreren Komponenten, die nahtlos funktionieren. Die Komponenten der Direct-to-Chip-Kühlung umfassen Folgendes:
- Die Kühlflüssigkeit besteht aus einer dielektrischen Verbindung oder Flüssigkeit, die speziell für Direct-to-Chip entwickelt wurde
- Ein Schlauch (oder Zirkulator), der die Flüssigkeit bewegt
- Eine Platte, auf der die Flüssigkeit durchdringen kann
- Ein thermisches Schnittstellenmaterial, das Wärme von der Quelle zur Platte leitet
Wie funktioniert die Direct-to-Chip-Kühlung?
Direkte Chip-Kühlung entzieht der Wärme durch einen ein- oder zweiphasigen Prozess. Diese Methoden verbessern die Effizienz von Kühlsystemen in Rechenzentren mit künstlicher Intelligenz.
Einphasige Direkt-zu-Chip-Kühlung
Bei der einphasigen Direct-to-Chip-Kühlung wird eine Kühlplatte verwendet, um Wärme von Serverkomponenten wie CPUs und GPUs zu übertragen. Ein Kühlfluid absorbiert die Wärme und fließt durch die Kühlmittelverteilungseinheit (CDU), wo ein Wärmetauscher sie zur Außenabweisung auf ein anderes Medium überträgt (siehe Abbildung 3). Nicht leitende Kühlmittel reduzieren elektrische Risiken und erhöhen die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit.
Die Auswahl der Flüssigkeit wird durch Ausgleich der thermischen Aufnahmeeigenschaften und Viskosität der Flüssigkeit bestimmt. Wasser liefert die höchste Wärmeaufnahmekapazität, wird aber oft mit Glykol gemischt, was die Wärmeaufnahme reduziert, aber die Viskosität erhöht, um die Pumpeffizienz zu verbessern. Bei diesen Systemen kann auch dielektrische Flüssigkeit verwendet werden, um den potenziellen Schaden durch ein Leck zu mindern; allerdings hat die dielektrische Flüssigkeit eine geringere Wärmetransportkapazität als das Wasser-Glykol-Gemisch.
Zweiphasige Direct-to-Chip-Kühlung
Bei Zweiphasen-Kühlplatten fließt eine Niederdruck-Dielektrikumflüssigkeit in Verdampfer, wo die von Serverkomponenten erzeugte Wärme die Flüssigkeit kocht. Der entstehende Dampf transportiert die Wärme vom Verdampfer weg und leitet sie außerhalb des Racks ab, um eine effektive Wärmeabgabe zu gewährleisten.
Vorteile der Direct-to-Chip-Kühlung
Die Technologie berechnet die Effizienz der Direct-to-Chip-Kühlung und gewinnt an Dynamik für das kontinuierliche Lernen und die Innovation, die sie der Branche bietet:
Erhöhte Zuverlässigkeit und Leistung: Direct-to-Chip-Kühlung und andere Flüssigkeitskühllösungen minimieren das Risiko einer Überhitzung und halten gleichmäßige, niedrigere Betriebstemperaturen aufrecht, was für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von HPC-Hardware und die Vermeidung von Leistungseinbußen entscheidend ist.
Größere Überlegungen zu Systemdesign und -bereitstellung: Direct-to-Chip-Kühlung kann nahtlos in bestehende Serverdesigns integriert werden, wodurch Betriebsunterbrechungen minimiert und der Bereitstellungsprozess optimiert werden.
Bereit für Skalierbarkeit: Die Flüssigkeitskühlung ermöglicht es, mehr Prozessoren auf einer kleineren physischen Stellfläche zu beherbergen und macht Erweiterungen oder Neubauten überflüssig. Durch die Bereitstellung eines effektiveren Wärmemanagements erleichtert die Direct-to-Chip-Kühlung die Skalierbarkeit bei Bedarf und erleichtert so das Wachstum des Betriebs, ohne die Leistung und den Betrieb von Diensten zu beeinträchtigen.
Reduzierte Gesamtbetriebskosten (TCO): In ihrem Bericht stellte die American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) fest, dass Rechenzentren, die sowohl Luft- als auch Flüssigkeitskühlung verwenden, die Gesamtbetriebskosten im Vergleich zu ausschließlich luftgekühlten Systemen senken können. Diese Reduzierung ist auf eine höhere Dichte, eine erhöhte Nutzung der freien Kühlung und eine verbesserte Leistung pro Watt zurückzuführen.
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Transformation der DCD-Kühlung
Datacenter Dynamics meldet, dass die Kühlung bis zu 40 Prozent der Gesamtenergierechnung des Rechenzentrums ausmacht. Vor diesem Hintergrund sollte die Bedeutung der Suche nach einer passenden Lösung nicht unterschätzt werden.
Vorbereitung auf den Einsatz von Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum
Eine einheitliche KI-Kühllösung existiert nicht, da Unternehmen unterschiedliche Rechenanforderungen haben. Um ihren einzigartigen Anforderungen gerecht zu werden, können moderne Rechenzentren, einschließlich solcher, die sich auf künstliche Intelligenz konzentrieren, mit der Bereitstellung von Direct-to-Chip-Kühlung oder anderen HPC-Kühlmethoden beginnen, indem sie die folgenden Schritte ausführen:
Bestimmung des Kühlbedarfs: IT- und Facility-Teams müssen entscheiden, wie sie Ressourcen für neue KI- oder Hochleistungs-Computing-Workloads zuweisen, um den aktuellen und zukünftigen Anforderungen in den nächsten ein bis zwei Jahren gerecht zu werden, sei es durch die Umwandlung einiger Racks auf einmal oder durch die Bereitstellung eines gesamten Raums.
Messung des thermischen Fußabdrucks: Kühlteams müssen die KI-Konfiguration identifizieren, nicht standardmäßige Anforderungen bewerten und den aktuellen Luftstrom bewerten, während sie Lücken zwischen neuen Wärmelasten und Kühlgrenzen schließen.
Beurteilung der Durchflussraten: Teams können Kühllösungen basierend auf dem Lebenszyklus von IT-Geräten aktualisieren, insbesondere wenn bevorstehende Hardwareaktualisierungen zusätzliche Kapazität für Chips der nächsten Generation erfordern.
Erforschung von Lösungen für die Direct-to-Chip-Kühlung in Rechenzentren
IT- und Einrichtungsteams können mit der Bereitstellung von Direct-to-Chip-Kühllösungen oder anderen Flüssigkeitskühllösungen für Rechenzentren beginnen, nachdem sie eine dedizierte Infrastruktur installiert haben, die einen Flüssigkeitskühlkreislauf schafft, der die Wärmeübertragung zwischen Einrichtung und sekundären Schaltkreisen ermöglicht, und andere Flüssigkeiten als Wasser für die Kühlung verwendet werden (siehe Abbildung 4).
CDU von Flüssigkeit zu Flüssigkeit
CDUs bieten kontrolliertes, kontaminantenfreies Kühlmittel für Direct-to-Chip-Kühlplatten sowie Wärmetauscher und Tauchkühlsysteme an der Hintertür. Teams mit Zugang zu Kaltwasser können eine Flüssig-Flüssig-CDU verwenden, um eine separate flüssigkeitsgekühlte IT-Ausrüstung für den Kühlkreislauf bereitzustellen, die sie vom Hauptkühlwassersystem der Einrichtung isoliert. Die Entscheidung für diese Lösung ermöglicht es ihnen, die Flüssigkeits- und Durchflussrate für die Racks auszuwählen, wie z. B. behandeltes Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Komfortkühlsystemen, die häufig nach Geschäftsschluss und außerhalb der Saison abgeschaltet werden, sollte das Kaltwassersystem kontinuierlich betrieben werden, um eine erfolgreiche Bereitstellung zu gewährleisten. Die Priorisierung der Wasserqualität durch Filtrationsoptionen ist auch bei der Verwendung bestehender Kaltwassersysteme unerlässlich. Darüber hinaus erfordern Flüssig-Flüssig-CDUs die Installation von Rohren und Pumpen, um sie mit dem Wasser der Anlage zu verbinden, was sich auf die Bereitstellungszeitpläne auswirken kann.
Flüssig-Luft-CDU
Flüssig-Luft-CDUs bieten einen unabhängigen sekundären Flüssigkeitskreislauf zum Rack, der die Wärme von IT-Komponenten ableitet, auch ohne Kaltwasserzugang. Die erwärmte Flüssigkeit kehrt zur CDU zurück und fließt durch Wärmetauscherspulen (HX). Lüfter blasen Luft über diese Spulen und verteilen die Wärme aus dem Rechenzentrum. Die vorhandene luftgekühlte Infrastruktur fängt diese Wärme dann ein und leitet sie nach außen ab, sodass Rechenzentren weiterhin traditionelle Raumkühlungsmethoden mit Direct-to-Chip-Kühlung verwenden können.
Flüssig-Luft-CDUs können den Einsatz von Flüssigkeitskühlung beschleunigen, indem sie vorhandene Raumkühleinheiten zur Wärmeableitung verwenden. Diese Option erfordert minimale Änderungen, um Wasserleitungen an Gebäudesysteme anzuschließen, nimmt weniger Platz ein und hat geringere Installations- und Anschaffungskosten im Vergleich zu Flüssig-Flüssig-CDUs. Flüssig-Luft-CDUs verfügen jedoch über eine begrenzte Kühlkapazität, was für Rechenzentren mit künstlicher Intelligenz eine wichtige Überlegung sein kann.
CDU von Flüssigkeit zu Kältemittel
CDUs von Flüssigkeit zu Kältemittel liefern Flüssigkeit direkt an den Chip und verwenden Kondensatoren auf Kältemittelbasis für die direkte Ausdehnung (DX) der Wärme. Dieser Ansatz maximiert die bestehende DX-Infrastruktur und verbessert bei Bedarf die Flüssigkeitskühlkapazität. Die Lösung ermöglicht es Rechenzentren, HPC-Kühlung schnell bereitzustellen, ohne vor Ort gekühltes Wasser zu benötigen, und ermöglicht modulare Konfigurationen, ohne die vorhandene Kühlinfrastruktur vollständig zu überholen.
CDUs, die mit der PRE-Technologie (Pumped Kältemittel Economization) betrieben werden, bieten eine Kühlung basierend auf Umgebungstemperaturen und reduzieren den Energieverbrauch. Die internen Komponenten kühlen das sekundäre Flüssigkeitsnetzwerk, um eine Kühlung mit hoher Dichte direkt an die Serverkühlplatten zu liefern.
Wärmetauscher Hintertür (RDHXs)
Rechenzentren können RDHX als ersten Schritt in Richtung Kühlung mit hoher Dichte implementieren. Bei ausreichender Größe können RDHxs mit vorhandenen Luftkühlsystemen verwendet werden, ohne dass signifikante strukturelle Veränderungen des Weißraums erforderlich sind. Sie können auch die Notwendigkeit von Eindämmungsstrategien eliminieren (siehe Abbildung 5). Passive Geräte eignen sich gut für Lasten von 5 bis 25 kW, während aktive RDHXs bis zu 50 kW Nennleistung bieten und in einigen Fällen bis zu 70+ kW getestet wurden.
Überlegungen für eine erfolgreiche Direct-to-Chip-Kühlintegration
Die Implementierung von Direct-to-Chip-Kühltechnologien beinhaltet eine sorgfältige Bewertung verschiedener Herausforderungen, die sich auf ihre Integration auswirken können. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören die Kompatibilität mit der aktuellen Infrastruktur, ein effektives Flüssigkeitsmanagement und die Behebung von Kapazitätsbeschränkungen der Ausrüstung, um eine erfolgreiche Bereitstellung zu gewährleisten.
Flüssigkeitsverteilung
Die Entwicklung sicherer und effizienter Flüssigkeitsverteilungssysteme mit minimalen Leckagerisiken sowie die proaktive Leckageerkennung sind für eine erfolgreiche Bereitstellung unerlässlich. IT- und Anlagenteams sollten die chemische Zusammensetzung, die Systemtemperatur, den Druck und die Fittings überprüfen, um Leckagen oder Ausfälle zu vermeiden. Die Implementierung von Schnelltrennarmaturen und Absperrventilen verbessert die Wartungsfreundlichkeit, erleichtert die Trennung der Armaturen und ermöglicht einen sofortigen Eingriff in Leckagen. Darüber hinaus ist die Konstruktion kritischer Infrastrukturkomponenten, insbesondere für CDUs, von entscheidender Bedeutung. Diese Technologien bieten eine präzise Kontrolle über das Flüssigkeitsvolumen und den Druck, um die Auswirkungen von Leckagen zu mindern.
Leckerkennung und -intervention
Ein umfassendes Leckerkennungssystem verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Flüssigkeitskühlungseinrichtungen, indem es rechtzeitig auf potenzielle Probleme aufmerksam macht, was dazu beiträgt, Ausfallzeiten zu reduzieren und Schäden an Geräten zu vermeiden. Indirekte Detektionsmethoden überwachen Änderungen von Druck und Durchfluss, während direkte Methoden Sensoren oder Kabel verwenden, um Leckagen genau zu lokalisieren. Die richtige Einrichtung dieser Systeme ist entscheidend. Die Reduzierung von Fehlalarmen sorgt für eine effiziente Funktion und ermöglicht dennoch die Erkennung von echten Leckagen, die dringende Aufmerksamkeit erfordern.
Die enge Zusammenarbeit mit Infrastrukturpartnern ist wichtig, um das System an bestimmte Anwendungen anzupassen und die Effektivität sowohl manueller als auch automatisierter Interventionsstrategien zu maximieren, um Konfigurationen mit hoher Dichte über 30 kW zu schützen.
Flüssigkeitsmanagement
Das Flüssigkeitsmanagement umfasst maßgeschneiderte Dienstleistungen, um den Kühlmittelbedarf von Flüssigkeitskühlsystemen zu decken. Zu diesen Dienstleistungen gehören die Entfernung von Verunreinigungen, Luftspülung, Kühlmittelproben, Qualitätsprüfungen, Anpassungen und umweltfreundliche Entsorgung. Durch die Zusammenarbeit mit führenden Kühlmittellieferanten gewährleistet der Flüssigkeitsmanagement-Service von Vertiv eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit der Flüssigkeitskühlsysteme von Vertiv.
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So implementieren Sie Flüssigkeitskühlung in bestehenden Rechenzentren
Da die Nachfrage nach Modellen für künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) steigt, entwickeln Sie wahrscheinlich Ihre Kühlstrategie weiter und erkunden neue Optionen. Erstellen Sie mit diesem technischen Leitfaden Ihre Roadmap für die Einführung von Flüssigkeitskühlung. Er enthält praktische Strategien für die Einführung von Flüssigkeitskühlung für 1MW-IT-Lasten.
Wählen Sie Ihren eigenen Zugang zu hoher Dichte
Die Direct-to-Chip-Kühltechnologie transformiert Rechenzentren, indem sie die intensiven Wärmebelastungen angeht, die mit HPC-Workloads wie KI, maschinellem Lernen und Big-Data-Analysen verbunden sind. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Verarbeitungsleistung sind effizientere Kühllösungen für die Aufrechterhaltung einer optimalen Leistung unerlässlich.
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