I data center di intelligenza artificiale stanno implementando soluzioni di raffreddamento a liquido per migliorare la gestione termica con l’aumento dei carichi di lavoro di computing ad alte prestazioni (HPC). Una delle opzioni più comuni è il raffreddamento diretto sul chip, che sfrutta le elevate proprietà di trasferimento termico del liquido per rimuovere il calore dai singoli chip del processore.
Il raffreddamento a liquido ad aria offre un vantaggio strategico per le aziende che mirano a sfruttare l’intelligenza artificiale (AI) e a mantenere un vantaggio competitivo. La combinazione di metodi efficienti per il raffreddamento a liquido diretto e a sala può aiutare le organizzazioni a ridurre i costi energetici, aumentare le prestazioni e soddisfare le esigenze dei data center IA.
Panoramica del raffreddamento a liquido per data center
L’adozione diffusa di servizi HPC, come AI, machine learning (ML) e analisi dei dati, causa un rapido aumento delle densità di chip, server e rack e del consumo energetico. Man mano che le densità dei rack raggiungono i 20 kilowatt (kW) e si avvicinano rapidamente ai 50 kW, i livelli di calore dell’infrastruttura HPC stanno spingendo le capacità dei metodi di raffreddamento tradizionali della sala ai loro limiti. Inoltre, c’è una crescente pressione globale sui data center e su altre aziende per ridurre continuamente il consumo energetico. Per soddisfare queste esigenze, gli operatori dei data center stanno esaminando le opzioni di raffreddamento a liquido (vedere la Figura 1).
Il raffreddamento a liquido sfrutta le proprietà di trasferimento termico più elevate dell’acqua o di altri fluidi dielettrici per dissipare il calore dai componenti del server in modo efficiente. Questa soluzione è 3.000 volte più efficace rispetto al solo raffreddamento ad aria per l’infrastruttura HPC, i cui livelli di calore superano le capacità dei metodi tradizionali. Il raffreddamento a liquido include varie tecniche per la gestione del calore nei data center di intelligenza artificiale.
Opzioni di raffreddamento HPC
Gli operatori dei data center stanno adottando tre approcci al raffreddamento a liquido: la costruzione di data center completamente raffreddati a liquido, il retrofit di strutture raffreddate ad aria per supportare i rack raffreddati a liquido in futuro e l’integrazione del raffreddamento a liquido nelle strutture raffreddate ad aria esistenti. La maggior parte degli operatori sceglierà probabilmente quest’ultimo approccio per aumentare la capacità, soddisfare le esigenze aziendali immediate e ottenere un rapido ritorno sull’investimento. Le opzioni di raffreddamento a liquido per l’infrastruttura HPC includono scambiatori di calore su porta posteriore (RDHx), raffreddamento diretto su chip e raffreddamento a immersione.
Ulteriori informazioni
Opzioni di raffreddamento a liquido per data center
Gli operatori dei data center stanno valutando le tecnologie di raffreddamento a liquido per aumentare l’efficienza energetica in seguito alla crescita delle applicazioni informatiche ad alta intensità di elaborazione.
Comprensione del raffreddamento diretto su chip
Il raffreddamento diretto su chip è una tecnologia avanzata di thermal management impiegata principalmente nei data center che utilizzano hardware HPC per dissipare il calore in modo efficiente. Questo metodo prevede la circolazione di un liquido refrigerante dielettrico sicuro direttamente sulle superfici dei chip del computer tramite piastre di raffreddamento per assorbire e rimuovere il calore in modo efficiente (vedere la Figura 2). Ciò può mantenere le temperature dei processori a livelli ottimali, indipendentemente dal carico e dai climi esterni.
Il raffreddamento diretto sul chip migliora l’efficienza energetica, riduce al minimo il rischio di surriscaldamento e migliora le prestazioni complessive del sistema. Gli operatori di data center HPC considerano questo approccio un metodo di raffreddamento efficiente, poiché il raffreddamento viene applicato direttamente ai componenti che generano calore dei processori e di altro hardware. Questa tecnologia è particolarmente critica man mano che i data center si evolvono per gestire le crescenti richieste di elaborazione e cercare di ottenere densità ed efficienza superiori.
Componenti di base dei sistemi di raffreddamento diretto su chip
Il raffreddamento diretto su chip dissipa il calore direttamente dal chip, consentendo ai data center di supportare densità di rack più elevate massimizzando al contempo l’efficienza energetica. Questa soluzione di raffreddamento a liquido ha diversi componenti che funzionano senza problemi. I componenti del raffreddamento diretto al chip comprendono:
- Il liquido di raffreddamento è costituito da un composto dielettrico o da un fluido appositamente progettato per essere diretto al chip
- Un tubo (o circolatore) che sposta il liquido
- Una piastra in cui il liquido può passare
- Un materiale di interfaccia termica che conduce il calore dalla fonte alla piastra
Come funziona il raffreddamento diretto sul chip?
Il raffreddamento diretto su chip assorbe il calore attraverso un processo monofase o bifase. Questi metodi migliorano l’efficienza dei sistemi di raffreddamento nei data center di intelligenza artificiale.
Raffreddamento monofase diretto su chip
Il raffreddamento monofase diretto su chip prevede l’uso di una piastra di raffreddamento per trasferire il calore dai componenti del server come CPU e GPU. Un fluido di raffreddamento assorbe il calore e fluisce attraverso l'unità di distribuzione del refrigerante (CDU), dove uno scambiatore di calore lo trasferisce su un altro mezzo per la espulsione esterna (vedere la Figura 3). I refrigeranti non conduttivi riducono i rischi elettrici, migliorando la sicurezza e l’affidabilità del sistema.
La scelta del fluido viene determinata bilanciando le sue proprietà di cattura termica e la sua viscosità. L’acqua fornisce la massima capacità di cattura del calore, ma spesso viene miscelata con il glicole, che riduce la cattura del calore ma aumenta la viscosità per migliorare l’efficienza del pompaggio. In questi sistemi si possono anche usare fluidi dielettrici per contrastare i danni causati da eventuali perdite, ma i fluidi dielettrici hanno minori capacità di dissipazione rispetto alla miscela di acqua e glicole.
Raffreddamento bifase diretto su chip
Con piastre di raffreddamento bifase, un liquido dielettrico a bassa pressione fluisce negli evaporatori, dove il calore generato dai componenti del server fa bollire il fluido. Il vapore risultante trasporta il calore lontano dall'evaporatore e lo trasferisce all'esterno del rack per un'efficace dissipazione del calore.
Vantaggi del raffreddamento diretto su chip
Calcolando l’efficienza del raffreddamento diretto sul chip, la tecnologia sta prendendo slancio per l’apprendimento continuo e l’innovazione che fornisce al settore:
Maggiore affidabilità e prestazioni: Il raffreddamento diretto su chip e altre soluzioni di raffreddamento a liquido riducono al minimo il rischio di surriscaldamento e mantengono temperature operative uniformi e inferiori, fondamentali per mantenere l’affidabilità e la longevità dell’hardware HPC ed evitare il degrado delle prestazioni.
Maggiore considerazione della progettazione e dell’implementazione del sistema: Il raffreddamento diretto sul chip può essere integrato senza problemi nei progetti di server esistenti, riducendo al minimo le interruzioni delle operazioni e semplificando il processo di implementazione.
Scalabilità pronta: Il raffreddamento a liquido consente di alloggiare più processori in un ingombro fisico ridotto ed elimina la necessità di espansioni o nuove costruzioni. Fornendo una gestione termica più efficace, il raffreddamento diretto sul chip facilita la scalabilità necessaria, facilitando la crescita delle operazioni senza compromettere le prestazioni e i servizi in esecuzione.
Riduzione del costo totale di proprietà (TCO): Nel loro report, l’American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ha scoperto che i data center che utilizzano il raffreddamento ad aria e liquido possono ridurre il TCO rispetto ai sistemi raffreddati ad aria. Questa riduzione è dovuta a una maggiore densità, a un maggiore utilizzo del freecooling e a prestazioni migliorate per watt.
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Trasformazione del raffreddamento DCD
Datacenter Dynamics segnala che il condizionamento rappresenta fino al 40% della bolletta energetica totale del data center. Tenendo presente questo aspetto, l’importanza di trovare la soluzione migliore non deve essere sottovalutata.
Preparazione per l’implementazione del raffreddamento a liquido nei data center
Non esiste una soluzione di raffreddamento basata sull’AI unica, poiché le aziende hanno esigenze di computing distinte. Per soddisfare le loro esigenze specifiche, i data center moderni, compresi quelli concentrati sull’intelligenza artificiale, possono iniziare a implementare il raffreddamento diretto su chip o altri metodi di raffreddamento HPC, eseguendo i seguenti passaggi:
Determinazione dei requisiti di raffreddamento: I team IT e delle strutture devono decidere come allocare le risorse per i nuovi carichi di lavoro di AI o di computing ad alte prestazioni per soddisfare le esigenze attuali e future nei prossimi due anni, convertendo pochi rack alla volta o dedicando un’intera sala.
Misurazione dell'ingombro termico: I team addetti al raffreddamento devono identificare la configurazione dell’AI, valutare i requisiti non standard e valutare la portata d’aria attuale, affrontando al contempo le lacune tra i nuovi carichi termici e i limiti di raffreddamento.
Valutazione delle portate: I team possono scegliere di aggiornare le soluzioni di raffreddamento in base al ciclo di vita delle apparecchiature IT, specialmente se i prossimi aggiornamenti hardware richiedono una capacità aggiuntiva per i chip di nuova generazione.
Esplorazione delle soluzioni per l’implementazione del raffreddamento diretto su chip nei data center
I team IT e delle strutture possono iniziare a implementare soluzioni di raffreddamento diretto su chip o altre soluzioni di raffreddamento a liquido per data center dopo aver installato un’infrastruttura dedicata che crea un circuito di raffreddamento a liquido che consente il trasferimento di calore tra circuiti della struttura e secondari e fluidi diversi dall’acqua della struttura da utilizzare per il raffreddamento (vedere la Figura 4).
CDU liquido-liquido
Le CDU forniscono refrigerante controllato e privo di contaminanti alle piastre di raffreddamento dirette sul chip, agli scambiatori di calore della porta posteriore e ai sistemi di raffreddamento a immersione. I team con accesso all’acqua refrigerata possono utilizzare una CDU liquido-liquido per fornire un’apparecchiatura IT separata raffreddata a liquido ad anello di raffreddamento, mantenendola isolata dal sistema principale dell’acqua refrigerata della struttura. La scelta di questa soluzione consente di scegliere il fluido e la portata per i rack, come l’acqua trattata o una miscela acqua-glicole.
A differenza dei tradizionali sistemi di raffreddamento comfort che spesso si spengono fuori orario e fuori stagione, il sistema ad acqua refrigerata dovrebbe funzionare continuamente per un’implementazione di successo. Quando si utilizzano sistemi ad acqua refrigerata esistenti, è essenziale anche dare priorità alla qualità dell’acqua tramite opzioni di filtrazione. Inoltre, le CDU liquido-liquido richiedono l’installazione di tubi e pompe per il collegamento all’acqua della struttura, il che può influire sulle tempistiche di implementazione.
CDU liquido-aria
Le CDU liquido-aria forniscono un circuito secondario indipendente del fluido al rack, dissipando il calore dai componenti IT anche senza accesso all’acqua refrigerata. Il fluido riscaldato ritorna alla CDU e scorre attraverso le batterie dello scambiatore di calore (HX). I ventilatori soffiano aria su queste batterie, disperdendo il calore dal data center. L’infrastruttura raffreddata ad aria esistente quindi cattura questo calore ed lo espelle all’esterno, consentendo ai data center di continuare a utilizzare i metodi di raffreddamento tradizionali della sala con raffreddamento diretto sul chip.
Le CDU liquido-aria possono accelerare l’implementazione del raffreddamento a liquido utilizzando le unità di raffreddamento esistenti per la dissipazione del calore. Questa opzione richiede modifiche minime per collegare i tubi dell’acqua ai sistemi dell’edificio, occupa meno spazio e ha costi di installazione e iniziali inferiori rispetto alle CDU liquido-liquido. Tuttavia, le CDU liquido-aria hanno una capacità di raffreddamento limitata, che può essere una considerazione significativa per i data center di intelligenza artificiale.
CDU da liquido a refrigerante
Le CDU da liquido a refrigerante erogano il liquido direttamente al chip e utilizzano condensatori a base di refrigerante per la dissipazione del calore a espansione diretta (DX). Questo approccio massimizza l'infrastruttura DX esistente, migliorando al contempo la capacità di raffreddamento a liquido ove necessario. Consente ai data center di implementare rapidamente il raffreddamento HPC senza la necessità di acqua refrigerata in loco, consentendo configurazioni modulari senza dover revisionare completamente l’infrastruttura di raffreddamento esistente.
Le CDU da liquido a refrigerante che operano con la tecnologia di dissipazione del calore con economizzazione del refrigerante pompato (PRE) forniscono il raffreddamento in base alle temperature ambiente, riducendo il consumo energetico. I componenti interni raffreddano la rete del fluido secondario per fornire il raffreddamento ad alta densità direttamente alle piastre di raffreddamento del server.
Scambiatore di calore porta posteriore (RDHX)
I data center possono implementare RDHX come primo passo verso il raffreddamento ad alta densità. Se di dimensioni adeguate, gli RDHx possono essere utilizzati con i sistemi di raffreddamento ad aria esistenti, senza richiedere modifiche strutturali significative allo spazio bianco. Possono anche eliminare la necessità di strategie di contenimento (vedere Figura 5). Le unità passive funzionano bene per carichi da 5 a 25 kW, mentre le unità RDHX attive forniscono fino a 50 kW di potenza nominale e sono state testate fino a oltre 70 kW in alcuni casi.
Considerazioni per una corretta integrazione del raffreddamento diretto su chip
L’implementazione di tecnologie di raffreddamento diretto su chip comporta un’attenta valutazione di varie sfide che possono influire sulla loro integrazione. Le considerazioni chiave includono la compatibilità con l’infrastruttura attuale, una gestione efficace dei fluidi e la gestione delle limitazioni di capacità delle apparecchiature per garantire un’implementazione di successo.
Distribuzione del fluido
La progettazione di sistemi di distribuzione dei fluidi sicuri ed efficienti con rischi minimi di perdite, insieme al rilevamento proattivo delle perdite, è essenziale per una corretta implementazione. I team IT e della struttura devono verificare la composizione chimica, la temperatura del sistema, la pressione e i raccordi per evitare perdite o guasti. L’implementazione di raccordi a sgancio rapido e valvole di intercettazione migliora la facilità di manutenzione, facilita lo scollegamento dei raccordi e consente un intervento tempestivo sulle perdite. Inoltre, la progettazione di componenti di infrastrutture critiche, in particolare per le CDU, è fondamentale. Queste tecnologie forniscono un controllo preciso sui volumi e sulla pressione dei fluidi per mitigare l’impatto di eventuali perdite.
Rilevamento e intervento delle perdite
Un sistema completo di rilevamento delle perdite migliora la sicurezza e l’affidabilità delle configurazioni di raffreddamento a liquido, fornendo avvisi tempestivi su potenziali problemi, che aiutano a ridurre i tempi di inattività e a prevenire danni alle apparecchiature. I metodi di rilevamento indiretto monitorano le variazioni di pressione e portata, mentre i metodi diretti utilizzano sensori o cavi per individuare accuratamente le perdite. La corretta configurazione di questi sistemi è fondamentale; la riduzione dei falsi allarmi mantiene l’efficienza operativa consentendo al contempo il rilevamento di perdite reali che richiedono un’attenzione urgente.
Lavorare a stretto contatto con i partner dell’infrastruttura è importante per personalizzare il sistema per applicazioni specifiche, massimizzando l’efficacia delle strategie di intervento sia manuali che automatizzate per proteggere le configurazioni ad alta densità oltre i 30 kW.
Gestione dei fluidi
La gestione dei fluidi prevede servizi personalizzati per soddisfare le esigenze di raffreddamento dei sistemi di raffreddamento a liquido. Questi servizi includono la rimozione della contaminazione, lo spurgo dell’aria, il campionamento del refrigerante, i test di qualità, le regolazioni e lo smaltimento ecologico. Collaborando con i migliori fornitori di refrigeranti, il servizio di gestione dei fluidi di Vertiv garantisce prestazioni e affidabilità ottimali dei sistemi di raffreddamento a liquido Vertiv.
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