Les datacenters à intelligence artificielle déploient des solutions de refroidissement liquide pour améliorer la gestion thermique à mesure que les charges de travail de calcul haute performance (HPC) augmentent. L’une des options les plus courantes est le refroidissement direct-to-chip, qui exploite les propriétés de transfert thermique élevées du liquide pour éliminer la chaleur des puces de processeur individuelles.
Le refroidissement liquide par air offre un avantage stratégique aux entreprises qui cherchent à exploiter l’intelligence artificielle (IA) et à maintenir un avantage concurrentiel. L’association de méthodes de refroidissement liquide direct et d’espace efficaces peut aider les entreprises à réduire les coûts énergétiques, à améliorer les performances et à répondre aux demandes des datacenters IA.
Présentation du refroidissement liquide du datacenter
L’adoption généralisée des services HPC, tels que l’IA, le machine learning (ML) et l’analyse des données, entraîne une augmentation rapide des densités de puces, de serveurs et de racks et de la consommation électrique. Alors que les densités de rack augmentent jusqu’à 20 kilowatts (kW) et approchent rapidement 50 kW, les niveaux de chaleur de l’infrastructure HPC repoussent les capacités des méthodes de refroidissement de salle traditionnelles à leurs limites. De plus, il existe une pression mondiale croissante sur les datacenters et autres entreprises pour réduire continuellement la consommation électrique. Pour répondre à ces exigences, les opérateurs de datacenter étudient leurs options de refroidissement liquide (voir Figure 1).
Le refroidissement liquide exploite les propriétés de transfert thermique plus élevées de l’eau ou d’autres fluides diélectriques pour dissiper efficacement la chaleur des composants du serveur. Cette solution est 3 000 fois plus efficace que l’utilisation du refroidissement par air seul pour l’infrastructure HPC, dont les niveaux de chaleur dépassent les capacités des méthodes traditionnelles. Le refroidissement liquide comprend diverses techniques pour gérer la chaleur dans les datacenters d’intelligence artificielle.
Options de refroidissement HPC
Les opérateurs de datacenters adoptent trois approches du refroidissement liquide : la construction de datacenters entièrement refroidis par liquide, la modernisation des installations refroidies par air pour prendre en charge les racks refroidis par liquide à l’avenir, et l’intégration du refroidissement liquide dans les installations refroidies par air existantes. La plupart des opérateurs choisiront probablement cette dernière approche pour augmenter la capacité, répondre aux besoins immédiats de l’entreprise et obtenir un retour sur investissement rapide. Les options de refroidissement liquide pour l’infrastructure HPC comprennent les échangeurs thermiques de porte arrière (RDHx), le refroidissement direct sur puce et le refroidissement par immersion.
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Options de refroidissement liquide pour les datacenters
Les opérateurs de datacenter évaluent les options de refroidissement liquide, à mesure que les applications informatiques à forte intensité de traitement se développent.
Comprendre le refroidissement direct sur puce
Le refroidissement direct-to-chip est une technologie de refroidissement avancée principalement utilisée dans les datacenters utilisant du matériel HPC pour dissiper efficacement la chaleur. Cette méthode implique de faire circuler un liquide de refroidissement diélectrique sûr directement sur les surfaces des puces informatiques via des plaques froides pour absorber et éliminer efficacement la chaleur (voir Figure 2). Cela peut maintenir les températures des processeurs à des niveaux optimaux, indépendamment de la charge et des climats externes.
Le refroidissement direct sur puce améliore le rendement énergétique, minimise le risque de surchauffe et améliore les performances globales du système. Les opérateurs de datacenter HPC considèrent cette approche comme une méthode de refroidissement efficace, car le refroidissement est appliqué directement aux composants générateurs de chaleur des processeurs et autres matériels. Cette technologie est particulièrement critique à mesure que les datacenters évoluent pour répondre aux exigences informatiques croissantes et s’efforcer d’obtenir une densité et une efficacité plus élevées.
Composants de base des systèmes de refroidissement direct-to-chip
Le refroidissement direct sur puce dissipe la chaleur directement de la puce, ce qui permet aux datacenters de prendre en charge des densités de rack plus élevées tout en maximisant le rendement énergétique. Cette solution de refroidissement liquide comporte plusieurs composants qui fonctionnent de manière transparente. Les composants du refroidissement direct-to-chip sont les suivants :
- Le liquide de refroidissement est composé d’un composé diélectrique ou d’un fluide spécialement conçu pour le refroidissement direct à la puce
- Un tube (ou un circulateur) qui déplace le liquide
- Une plaque où le liquide peut passer
- Un matériau d’interface thermique qui conduit la chaleur de la source à la plaque
Comment fonctionne le refroidissement direct-to-chip ?
Le refroidissement direct-to-chip évacue la chaleur grâce à un processus monophasé ou biphasé. Ces méthodes améliorent l’efficacité des systèmes de refroidissement dans les datacenters à intelligence artificielle.
Refroidissement monophasé direct sur puce
Le refroidissement monophasé direct sur puce implique l’utilisation d’une plaque froide pour transférer la chaleur des composants serveur tels que les CPU et les GPU. Un fluide de refroidissement absorbe la chaleur et circule à travers l’unité de distribution de liquide de refroidissement (CDU), où un échangeur de chaleur la transfère vers un autre milieu pour un rejet extérieur (voir Figure 3). Les réfrigérants non conducteurs réduisent les risques électriques, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité du système.
La sélection du fluide est déterminée en équilibrant les propriétés de capture thermique et la viscosité du fluide. L’eau offre la capacité de capture de chaleur la plus élevée, mais est souvent mélangée au glycol, ce qui réduit la capture de chaleur mais augmente la viscosité pour améliorer l’efficacité du pompage. Ces systèmes peuvent également utiliser un fluide diélectrique pour atténuer les dommages causés par une fuite ; cependant, le fluide diélectrique a une capacité de transport thermique inférieure à celle du mélange eau/glycol.
Refroidissement direct-to-chip biphasé
Avec des plaques froides biphasées, un liquide diélectrique basse pression s’écoule dans les évaporateurs, où la chaleur générée par les composants du serveur fait bouillir le fluide. La vapeur résultante évacue la chaleur de l’évaporateur et la transfère à l’extérieur du rack pour un rejet efficace de la chaleur.
Avantages du refroidissement direct sur puce
Calculant l’efficacité apportée par le refroidissement direct-to-chip, la technologie prend de l’ampleur pour l’apprentissage continu et l’innovation qu’elle fournit au secteur :
Fiabilité et performances accrues : Le refroidissement direct sur puce et d’autres solutions de refroidissement liquide minimisent le risque de surchauffe et maintiennent des températures de fonctionnement uniformes et inférieures, ce qui est crucial pour maintenir la fiabilité et la longévité du matériel HPC et éviter la dégradation des performances.
Conception et déploiement du système plus importants : Le refroidissement direct-to-chip peut être intégré de manière transparente aux conceptions de serveurs existantes, minimisant ainsi les perturbations des opérations et rationalisant le processus de déploiement.
Évolutivité prête : Le refroidissement liquide permet de loger plus de processeurs dans un encombrement physique plus faible et élimine le besoin d’expansions ou de nouvelles constructions. En fournissant une gestion thermique plus efficace, le refroidissement direct-to-chip facilite l’évolutivité au besoin, ce qui facilite la croissance des opérations sans compromettre les performances et les services d’exploitation.
Coût total de possession (TCO) réduit : Dans son rapport, l’American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) a constaté que les datacenters utilisant à la fois le refroidissement à air et le refroidissement liquide peuvent réduire le TCO par rapport aux systèmes uniquement refroidis à air. Cette réduction est due à une densité plus élevée, à une utilisation accrue du freecooling et à des performances améliorées par watt.
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Transformation du refroidissement DCD
Datacenter Dynamics rapporte que le refroidissement représente jusqu’à 40 % de la facture énergétique totale du datacenter. Dans cette optique, l’importance de trouver la solution la mieux adaptée ne doit pas être sous-estimée.
Préparation au déploiement du refroidissement liquide du datacenter
Il n’existe pas de solution de refroidissement IA universelle, car les entreprises ont des besoins informatiques distincts. Pour répondre à leurs besoins uniques, les datacenters modernes, y compris ceux axés sur l’intelligence artificielle, peuvent commencer à déployer un refroidissement direct sur puce, ou d’autres méthodes de refroidissement HPC, en effectuant les étapes suivantes :
Détermination des besoins en refroidissement : Les équipes IT et d’installation doivent décider comment allouer des ressources pour les nouvelles charges de travail d’IA ou de calcul haute performance afin de répondre aux besoins actuels et futurs au cours des deux prochaines années, que ce soit en convertissant quelques racks à la fois ou en consacrant une salle entière.
Mesure de l’encombrement thermique : Les équipes de refroidissement doivent identifier la configuration de l’IA, évaluer les exigences non standard et évaluer le débit d’air actuel tout en comblant les écarts entre les nouvelles charges thermiques et les limites de refroidissement.
Évaluation des débits : Les équipes peuvent choisir de mettre à niveau les solutions de refroidissement en fonction du cycle de vie des équipements IT, en particulier si les prochaines actualisations matérielles nécessitent une capacité supplémentaire pour les puces de nouvelle génération.
Explorer des solutions pour le déploiement du refroidissement direct-to-chip dans les datacenters
Les équipes IT et de site peuvent commencer à déployer des solutions de refroidissement direct-to-chip ou d’autres solutions de refroidissement liquide de datacenter après avoir installé une infrastructure dédiée qui crée une boucle de refroidissement de fluide permettant le transfert de chaleur entre les circuits de site et secondaires et le fluide autre que l’eau de site à utiliser pour le refroidissement (voir Figure 4).
CDU liquide à liquide
Les CDU fournissent un liquide de refroidissement contrôlé et sans contaminants aux plaques froides directes sur puce, ainsi qu’aux échangeurs thermiques de porte arrière et aux systèmes de refroidissement par immersion. Les équipes disposant d’un accès à l’eau glacée peuvent utiliser un CDU liquide-liquide pour fournir un équipement IT refroidi par liquide à boucle de refroidissement séparé, le maintenant isolé du système d’eau glacée principal de l’installation. Opter pour cette solution leur permet de choisir le fluide et le débit pour les racks, tels que l’eau traitée ou un mélange eau-glycol.
Contrairement aux systèmes de refroidissement de confort traditionnels qui s’arrêtent souvent après les heures d’ouverture et en dehors des saisons, le système à eau glacée doit fonctionner en continu pour un déploiement réussi. Donner la priorité à la qualité de l’eau grâce aux options de filtration est également essentiel lors de l’utilisation des systèmes à eau glacée existants. De plus, les CDU liquide-liquide nécessitent l’installation de tuyaux et de pompes pour se connecter à l’eau de l’installation, ce qui peut affecter les délais de déploiement.
CDU liquide-air
Les CDU liquide-air fournissent une boucle de fluide secondaire indépendante au rack, dissipant la chaleur des composants IT même sans accès à l’eau glacée. Le fluide chauffé retourne au CDU et circule à travers les batteries de l’échangeur thermique (HX). Les ventilateurs soufflent de l’air sur ces batteries, dispersant la chaleur du datacenter. L’infrastructure existante refroidie par air capture ensuite cette chaleur et l’expulse à l’extérieur, ce qui permet aux datacenters de continuer à utiliser des méthodes de refroidissement de salle traditionnelles avec refroidissement direct sur puce.
Les CDU liquide-air peuvent accélérer le déploiement du refroidissement liquide en utilisant des unités de refroidissement de salle existantes pour le rejet de chaleur. Cette option nécessite des modifications minimales pour connecter les conduites d’eau aux systèmes du bâtiment, occupe moins d’espace et présente des coûts d’installation et initiaux inférieurs par rapport aux CDU liquide-liquide. Cependant, les CDU liquide-air ont une capacité de refroidissement limitée, ce qui peut être une considération importante pour les datacenters d’intelligence artificielle.
CDU liquide-réfrigérant
Les CDU liquide vers réfrigérant fournissent le liquide directement à la puce et utilisent des condenseurs à base de réfrigérant pour le rejet de chaleur par détente directe (DX). Cette approche maximise l’infrastructure DX existante tout en améliorant la capacité de refroidissement liquide si nécessaire. Il permet aux datacenters de déployer rapidement le refroidissement HPC sans avoir besoin d’eau glacée sur site, ce qui permet des configurations modulaires sans refondre complètement l’infrastructure de refroidissement existante.
Les CDU liquide-réfrigérant fonctionnant avec la technologie d’économisation de réfrigérant pompé (PRE) offrent un refroidissement basé sur les températures ambiantes, réduisant ainsi la consommation d’énergie. Les composants internes refroidissent le réseau de fluides secondaire pour fournir un refroidissement haute densité directement aux plaques froides du serveur.
Échangeur thermique de porte arrière (RDHX)
Les datacenters peuvent mettre en œuvre des RDHX comme première étape vers le refroidissement haute densité. Lorsqu’ils sont correctement dimensionnés, les RDHx peuvent être utilisés avec les systèmes de refroidissement à air existants, sans nécessiter de changements structurels significatifs dans l’espace blanc. Ils peuvent également éliminer le besoin de stratégies de confinement (voir Figure 5). Les unités passives fonctionnent bien pour les charges de 5 à 25 kW, tandis que les RDHX actifs fournissent jusqu’à 50 kW en capacité nominale et ont été testés jusqu’à plus de 70 kW dans certains cas.
Considérations pour une intégration réussie du refroidissement direct-to-chip
La mise en œuvre des technologies de refroidissement direct-to-chip implique une évaluation minutieuse des différents défis qui peuvent affecter leur intégration. Les considérations clés comprennent la compatibilité avec l’infrastructure actuelle, une gestion efficace des fluides et la résolution des limitations de capacité de l’équipement pour garantir un déploiement réussi.
Distribution de liquide
La conception de systèmes de distribution de fluide sûrs et efficaces avec des risques de fuite minimes, ainsi que la détection proactive des fuites, est essentielle pour un déploiement réussi. Les équipes IT et de l’installation doivent vérifier la composition chimique, la température du système, la pression et les raccords afin d’éviter les fuites ou les défaillances. La mise en œuvre de raccords à déconnexion rapide et de vannes d’arrêt améliore la facilité d’entretien, facilite la déconnexion des raccords et permet une intervention rapide en cas de fuite. De plus, la conception des composants d’infrastructure critique, en particulier pour les CDU, est essentielle. Ces technologies permettent un contrôle précis des volumes de fluide et de la pression afin d’atténuer l’impact des fuites.
Détection et intervention des fuites
Un système complet de détection des fuites améliore la sécurité et la fiabilité des configurations de refroidissement liquide en fournissant des alertes en temps opportun en cas de problèmes potentiels, ce qui permet de réduire les temps d’arrêt et d’éviter d’endommager l’équipement. Les méthodes de détection indirecte surveillent les changements de pression et de débit, tandis que les méthodes directes utilisent des capteurs ou des câbles pour localiser avec précision les fuites. Il est essentiel de configurer correctement ces systèmes ; la réduction des fausses alarmes maintient l’efficacité opérationnelle tout en permettant la détection de fuites réelles nécessitant une attention urgente.
Il est important de travailler en étroite collaboration avec les partenaires d’infrastructure pour personnaliser le système pour des applications spécifiques, en maximisant l’efficacité des stratégies d’intervention manuelles et automatisées afin de protéger les configurations haute densité supérieures à 30 kW.
Gestion des fluides
La gestion des fluides implique des services sur mesure pour répondre aux besoins en liquide de refroidissement des systèmes de refroidissement liquide. Ces services comprennent l’élimination de la contamination, la purge d’air, l’échantillonnage du liquide de refroidissement, les tests de qualité, les ajustements et l’élimination respectueuse de l’environnement. En collaborant avec les principaux fournisseurs de liquide de refroidissement, le service de gestion des fluides de Vertiv garantit des performances et une fiabilité optimales des systèmes de refroidissement liquide Vertiv.
En savoir plus :
Comment mettre en œuvre le refroidissement liquide dans les datacenters existants
À mesure que la demande en modèles d’intelligence artificielle (IA) et d’apprentissage machine (ML) augmente, vous faites probablement évoluer votre stratégie de refroidissement et explorez de nouvelles options. Créez votre feuille de route pour adopter le refroidissement liquide avec ce guide technique, présentant des stratégies pratiques pour adopter le refroidissement liquide pour les charges IT de 1MW.
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