Centra danych wykorzystujące sztuczną inteligencję wdrażają rozwiązania chłodzenia cieczą w celu poprawy zarządzania temperaturą w związku ze wzrostem obciążenia związanego z obliczeniami o wysokiej wydajności (HPC). Jedną z najpopularniejszych opcji jest chłodzenie bezpośrednie chipów, które wykorzystuje wysokie właściwości przewodzenia ciepła cieczy do odprowadzania ciepła z poszczególnych chipów procesora.
Chłodzenie cieczą wspomagane powietrzem stanowi strategiczną przewagę dla przedsiębiorstw, które chcą wykorzystać sztuczną inteligencję (AI) i utrzymać przewagę konkurencyjną. Połączenie wydajnych metod chłodzenia pomieszczeń i bezpośredniego chłodzenia cieczą może pomóc organizacjom obniżyć koszty energii, zwiększyć wydajność i sprostać wymaganiom centrów danych AI.
Przegląd chłodzenia cieczą w centrum danych
Powszechne stosowanie usług HPC, takich jak sztuczna inteligencja, uczenie maszynowe (ML) i analiza danych, powoduje szybki wzrost gęstości chipów, serwerów i szaf oraz zużycia energii. Wraz ze wzrostem gęstości racków do 20 kilowatów (kW) i szybkim zbliżaniem się do 50 kW, poziomy ciepła infrastruktury HPC osiągają granice możliwości tradycyjnych metod chłodzenia pomieszczeń. Co więcej, istnieje coraz większa presja na centra danych i inne przedsiębiorstwa, aby stale zmniejszać zużycie energii. Aby sprostać tym wymaganiom, operatorzy centrów danych badają swoje opcje chłodzenia cieczą (patrz rysunek 1).
Chłodzenie cieczą wykorzystuje wyższe właściwości termotransferowe wody lub innych płynów dielektrycznych, aby skutecznie rozpraszać ciepło z komponentów serwera. Rozwiązanie to jest 3000 razy bardziej efektywne niż zastosowanie samego chłodzenia powietrzem w infrastrukturze HPC, której poziomy ciepła przewyższają możliwości tradycyjnych metod. Chłodzenie cieczą obejmuje różne techniki zarządzania ciepłem w centrach danych sztucznej inteligencji.
Opcje chłodzenia HPC
Operatorzy centrów danych stosują trzy podejścia do chłodzenia cieczą: budują centra danych całkowicie chłodzone cieczą, modernizują obiekty chłodzone powietrzem, aby w przyszłości mogły obsługiwać szafy chłodzone cieczą, oraz integrują chłodzenie cieczą z istniejącymi obiektami chłodzonymi powietrzem. Większość operatorów prawdopodobnie wybierze to drugie podejście, aby zwiększyć wydajność, zaspokoić bieżące potrzeby biznesowe i osiągnąć szybki zwrot z inwestycji. Opcje chłodzenia cieczą dla infrastruktury HPC obejmują wymienniki ciepła tylnych drzwi (RDHx), chłodzenie bezpośrednie chipów oraz chłodzenie immersyjne.
Dowiedz się więcej
Opcje chłodzenia cieczą dla centrów danych
Operatorzy centrów danych, w miarę rozwoju aplikacji przetwarzania danych wymagających intensywnego przetwarzania danych, badają technologie chłodzenia cieczą, by zwiększyć efektywność energetyczną.
Zrozumienie chłodzenia bezpośrednio chipów
Chłodzenie bezpośrednie chipów to zaawansowana technologia zarządzania ciepłem stosowana głównie w centrach danych wykorzystujących sprzęt HPC do efektywnego odprowadzania ciepła. Metoda ta polega na cyrkulacji bezpiecznego dielektrycznego ciekłego chłodziwa bezpośrednio nad powierzchniami chipów komputerowych za pomocą zimnych płyt w celu skutecznego pochłaniania i usuwania ciepła (patrz rysunek 2). Dzięki temu temperatury procesorów mogą utrzymywać się na optymalnym poziomie, niezależnie od obciążenia i klimatu zewnętrznego.
Chłodzenie bezpośrednio chipa poprawia efektywność energetyczną, minimalizuje ryzyko przegrzania i zwiększa ogólną wydajność systemu. Operatorzy centrów danych HPC uważają to podejście za skuteczną metodę chłodzenia centrów danych, ponieważ chłodzenie jest stosowane bezpośrednio do elementów generujących ciepło procesorów i innego sprzętu. Technologia ta jest szczególnie ważna, ponieważ centra danych ewoluują, aby sprostać rosnącym wymaganiom obliczeniowym i dążyć do większej gęstości i wydajności.
Podstawowe komponenty układów chłodzenia bezpośredniego
Chłodzenie bezpośrednie rozprasza ciepło bezpośrednio z chipa, umożliwiając centrom danych obsługę większej gęstości szaf rackowych przy jednoczesnej maksymalizacji efektywności energetycznej. To rozwiązanie chłodzenia cieczą składa się z kilku elementów, które działają płynnie. Elementy układu chłodzenia bezpośredniego chipa obejmują:
- Ciecz chłodząca składa się ze związku dielektrycznego lub płynu specjalnie zaprojektowanego do bezpośredniego kontaktu z chipem
- Rurka (lub cyrkulator), która porusza ciecz
- Płyta, przez którą może przedostać się płyn
- Materiał termiczny, który przewodzi ciepło ze źródła do płyty
Jak działa chłodzenie bezpośrednie chipów?
Chłodzenie bezpośrednie chipu odprowadza ciepło w procesie jednofazowym lub dwufazowym. Metody te zwiększają wydajność systemów chłodzenia w centrach danych sztucznej inteligencji.
Jednofazowe chłodzenie bezpośrednie chipu
Jednofazowe chłodzenie bezpośrednie układów scalonych polega na wykorzystaniu płyty chłodzącej do odprowadzania ciepła z komponentów serwera, takich jak procesory i karty graficzne. Płyn chłodzący pochłania ciepło i przepływa przez jednostkę dystrybucji chłodziwa (CDU), gdzie wymiennik ciepła przenosi go do innego medium w celu odrzucenia na zewnątrz (patrz rysunek 3). Nieprzewodzące ciecze chłodzące zmniejszają ryzyko porażenia prądem, zwiększając bezpieczeństwo i niezawodność systemu.
Wybór płynu jest określany poprzez zrównoważenie właściwości wychwytywania ciepła i lepkości płynu. Woda zapewnia najwyższą zdolność wychwytywania ciepła, ale często jest mieszana z glikolem, co zmniejsza wychwytywanie ciepła, ale zwiększa lepkość w celu zwiększenia wydajności pompowania. Systemy te mogą również wykorzystywać płyn dielektryczny w celu łagodzenia skutków wycieku; jednak ciecze dielektryczne charakteryzują się niższą wydajnością przenoszenia ciepła niż mieszanina wody i glikolu.
Dwufazowe chłodzenie bezpośrednio chipa
W przypadku dwufazowych płyt chłodzących niskociśnieniowa ciecz dielektryczna przepływa do parowników, gdzie ciepło wytwarzane przez komponenty serwera powoduje wrzenie płynu. Powstała para odprowadza ciepło z parownika i przenosi je poza szafę, zapewniając skuteczne odprowadzanie ciepła.
Zalety chłodzenia bezpośrednio chipów
Biorąc pod uwagę wydajność zapewnianą przez chłodzenie bezpośrednie chipów, technologia ta zyskuje na popularności dzięki ciągłemu rozwojowi i innowacjom, jakie zapewnia branży:
Większa niezawodność i wydajność: Chłodzenie bezpośrednie chipów i inne rozwiązania w zakresie chłodzenia cieczą minimalizują ryzyko przegrzania i utrzymują jednolite, niższe temperatury robocze, co ma kluczowe znaczenie dla zachowania niezawodności i trwałości sprzętu HPC oraz uniknięcia spadku wydajności.
Większa uwaga poświęcona projektowaniu i wdrażaniu systemu: Chłodzenie bezpośrednie chipów można płynnie zintegrować z istniejącymi projektami serwerów, minimalizując zakłócenia w działaniu i usprawniając proces wdrażania.
Gotowa skalowalność: Chłodzenie cieczą pozwala na umieszczenie większej liczby procesorów na mniejszej powierzchni fizycznej i eliminuje potrzebę rozbudowy lub budowy nowych obiektów. Dzięki zapewnieniu bardziej efektywnego zarządzania temperaturą, chłodzenie bezpośrednie układów scalonych ułatwia skalowalność w razie potrzeby, co pozwala na łatwiejsze rozszerzanie działalności bez utraty wydajności i zakłócania działania usług operacyjnych.
Obniżony całkowity koszt posiadania (TCO): W swoim raporcie Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Ogrzewania, Chłodnictwa i Klimatyzacji (ASHRAE) stwierdziło, że centra danych wykorzystujące zarówno chłodzenie powietrzem, jak i chłodzenie cieczą mogą zmniejszyć całkowity koszt posiadania w porównaniu z systemami wyłącznie chłodzonymi powietrzem. Redukcja ta wynika z większej gęstości, zwiększonego wykorzystania swobodnego chłodzenia i zwiększonej wydajności na wat.
Przeczytaj nasz eBook na temat chłodzenia HPC
Transformacja chłodzenia DCD
Datacenter Dynamics informuje, że chłodzenie stanowi do 40 procent całkowitego rachunku za energię w centrum danych. Mając to na uwadze, nie należy lekceważyć znaczenia znalezienia najlepiej dopasowanego rozwiązania.
Przygotowanie do wdrożenia chłodzenia cieczą w centrum przetwarzania danych
Nie istnieje uniwersalne rozwiązanie chłodzenia oparte na sztucznej inteligencji, ponieważ firmy mają różne potrzeby w zakresie przetwarzania danych. Aby sprostać ich unikalnym wymaganiom, nowoczesne centra danych, w tym te skoncentrowane na sztucznej inteligencji, mogą rozpocząć wdrażanie chłodzenia bezpośrednio chipów lub innych metod chłodzenia HPC, wykonując następujące kroki:
Określanie wymagań dotyczących chłodzenia: Zespoły IT i ds. infrastruktury muszą zdecydować, w jaki sposób przydzielić zasoby dla nowych zadań związanych ze sztuczną inteligencją lub obliczeniami o wysokiej wydajności, aby sprostać obecnym i przyszłym potrzebom w ciągu najbliższych jednego do dwóch lat, czy to poprzez przekształcanie kilku szaf naraz, czy też przeznaczając na ten cel całe pomieszczenie.
Pomiar śladu cieplnego: Zespoły odpowiedzialne za chłodzenie muszą określić konfigurację sztucznej inteligencji, ocenić niestandardowe wymagania i zweryfikować aktualny przepływ powietrza, jednocześnie eliminując rozbieżności między nowymi obciążeniami cieplnymi a limitami chłodzenia.
Ocena prędkości przepływu: Zespoły mogą zdecydować się na modernizację rozwiązań chłodniczych w oparciu o cykl życia sprzętu IT, zwłaszcza jeśli zbliżająca się wymiana sprzętu wymaga dodatkowej mocy obliczeniowej dla chipów nowej generacji.
Poszukiwanie rozwiązań w zakresie bezpośredniego chłodzenia chipów w centrach danych
Zespoły IT i ds. obiektów mogą rozpocząć wdrażanie rozwiązań chłodzenia bezpośredniego chipów lub innych rozwiązań chłodzenia cieczą w centrach danych po zainstalowaniu dedykowanej infrastruktury, która tworzy pętlę chłodzenia cieczą umożliwiającą transfer ciepła między obiektem a obwodami wtórnymi oraz wykorzystanie do chłodzenia cieczy innej niż woda z obiektu (patrz rysunek 4).
CDU typu ciecz-ciecz
Jednostki CDU dostarczają kontrolowany, wolny od zanieczyszczeń płyn chłodzący do płyt chłodzących podłączonych bezpośrednio do chipów, a także do wymienników ciepła w tylnych drzwiach i systemów chłodzenia zanurzeniowego. Zespoły mające dostęp do schłodzonej wody mogą wykorzystać układ CDU typu ciecz-ciecz do zapewnienia oddzielnej pętli chłodzącej sprzęt IT chłodzony cieczą, izolując go od głównego systemu schłodzonej wody obiektu. Decydując się na to rozwiązanie, mogą wybrać płyn i natężenie przepływu dla szaf, np. uzdatnioną wodę lub mieszankę wody i glikolu.
W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów chłodzenia komfortu, które często wyłączają się po godzinach pracy i poza sezonem, system wody lodowej powinien działać nieprzerwanie, aby zapewnić skuteczne działanie. Priorytetowe traktowanie jakości wody poprzez stosowanie opcji filtracji ma również zasadnicze znaczenie w przypadku korzystania z istniejących systemów wody lodowej. Ponadto urządzenia CDU typu ciecz-ciecz wymagają zainstalowania rur i pomp w celu podłączenia do instalacji wodociągowej obiektu, co może mieć wpływ na harmonogram wdrożenia.
CDU ciecz-powietrze
Jednostki CDU typu ciecz-powietrze zapewniają niezależny dodatkowy obieg płynu do szafy, odprowadzając ciepło z komponentów IT nawet bez dostępu do wody lodowej. Podgrzany płyn powraca do CDU i przepływa przez wężownice wymiennika ciepła (HX). Wentylatory wydmuchują powietrze na te cewki, rozpraszając ciepło z centrum danych. Istniejąca infrastruktura chłodzenia powietrzem przechwytuje następnie ciepło i odprowadza je na zewnątrz, umożliwiając centrom danych dalsze stosowanie tradycyjnych metod chłodzenia pomieszczeń z bezpośrednim chłodzeniem chipów.
CDU typu ciecz-powietrze mogą przyspieszyć wdrażanie chłodzenia cieczą poprzez wykorzystanie istniejących jednostek chłodzenia pomieszczeń do odrzucania ciepła. Ta opcja wymaga minimalnych modyfikacji, aby podłączyć rury wodne do instalacji budynku, zajmuje mniej miejsca i ma niższe koszty instalacji i początkowe w porównaniu z CDU ciecz-ciecz. Jednak CDU typu ciecz-powietrze mają ograniczoną wydajność chłodzenia, co może być znaczącym czynnikiem dla centrów danych sztucznej inteligencji.
CDU ciecz-czynnik chłodniczy
Jednostki CDU typu ciecz-czynnik chłodniczy dostarczają ciecz bezpośrednio do chipa i wykorzystują skraplacze na bazie czynnika chłodniczego do bezpośredniego odprowadzania ciepła (DX). Takie podejście pozwala maksymalnie wykorzystać istniejącą infrastrukturę DX, jednocześnie zwiększając wydajność chłodzenia cieczą tam, gdzie jest to konieczne. Umożliwia to centrom danych szybkie wdrożenie chłodzenia HPC bez konieczności stosowania wody lodowej na miejscu, umożliwiając modułowe konfiguracje bez konieczności całkowitej przebudowy istniejącej infrastruktury chłodniczej.
Jednostki CDU typu ciecz-czynnik chłodniczy, działające w oparciu o technologię odprowadzania ciepła z pompowanym czynnikiem chłodniczym (PRE), zapewniają chłodzenie w zależności od temperatury otoczenia, zmniejszając zużycie energii. Elementy wewnętrzne chłodzą sieć płynów wtórnych, aby zapewnić chłodzenie o wysokiej gęstości bezpośrednio do płyt chłodzących serwera.
Wymiennik ciepła tylnych drzwi (RDHX)
Centra przetwarzania danych mogą wdrożyć RDHX jako pierwszy krok w kierunku chłodzenia o wysokiej gęstości. Przy odpowiednich rozmiarach urządzenia RDHx mogą być stosowane w istniejących systemach chłodzenia powietrzem bez konieczności wprowadzania znaczących zmian konstrukcyjnych w białej przestrzeni. Mogą również wyeliminować potrzebę stosowania strategii ograniczających (patrz Rysunek 5). Jednostki pasywne sprawdzają się przy obciążeniach od 5 do 25 kW, podczas gdy aktywne RDHX s zapewniają moc nominalną do 50 kW i w niektórych przypadkach zostały przetestowane do 70+ kW.
Czynniki decydujące o skutecznej integracji chłodzenia bezpośrednio z chipem
Wdrożenie technologii chłodzenia bezpośredniego do chipów wymaga starannej oceny różnych wyzwań, które mogą mieć wpływ na ich integrację. Kluczowe kwestie obejmują kompatybilność z obecną infrastrukturą, skuteczne zarządzanie płynami oraz ograniczenie wydajności sprzętu w celu zapewnienia pomyślnego wdrożenia.
Dystrybucja cieczy
Projektowanie bezpiecznych i wydajnych systemów dystrybucji cieczy z minimalnym ryzykiem wycieku, wraz z proaktywnym wykrywaniem wycieków, jest niezbędne do pomyślnego wdrożenia. Zespoły IT i ds. obiektów powinny sprawdzać skład chemiczny, temperaturę systemu, ciśnienie i osprzęt, aby zapobiec wyciekom lub awariom. Wdrożenie szybkozłączek i zaworów odcinających zwiększa łatwość serwisowania, ułatwia odłączenie mocowania i umożliwia szybką interwencję w przypadku wycieku. Ponadto kluczowe znaczenie ma projektowanie komponentów infrastruktury krytycznej, szczególnie dla CDU. Technologie te zapewniają precyzyjną kontrolę nad objętością płynu i ciśnieniem w celu złagodzenia skutków wszelkich wycieków.
Wykrywanie wycieków i interwencja
Kompleksowy system wykrywania wycieków zwiększa bezpieczeństwo i niezawodność konfiguracji chłodzenia cieczą, zapewniając terminowe powiadomienia o potencjalnych problemach, co pomaga skrócić czas przestojów i zapobiec uszkodzeniu sprzętu. Metody pośredniego wykrywania monitorują zmiany ciśnienia i przepływu, natomiast metody bezpośrednie wykorzystują czujniki lub kable do dokładnej lokalizacji wycieków. Właściwe skonfigurowanie tych systemów ma kluczowe znaczenie; zmniejszenie liczby fałszywych alarmów pozwala utrzymać wydajność operacyjną, a jednocześnie umożliwia wykrywanie rzeczywistych wycieków, które wymagają pilnej uwagi.
Ścisła współpraca z partnerami infrastrukturalnymi jest ważna, aby dostosować system do konkretnych zastosowań, maksymalizując skuteczność zarówno ręcznych, jak i zautomatyzowanych strategii interwencji w celu ochrony konfiguracji o dużej gęstości powyżej 30 kW.
Zarządzanie cieczą
Zarządzanie cieczą obejmuje usługi dostosowane do potrzeb systemów chłodzenia cieczą. Usługi te obejmują usuwanie zanieczyszczeń, oczyszczanie powietrza, pobieranie próbek chłodziwa, testowanie jakości, regulacje i przyjazną dla środowiska utylizację. Dzięki współpracy z czołowymi dostawcami płynów chłodzących, usługa zarządzania płynami firmy Vertiv zapewnia optymalną wydajność i niezawodność systemów chłodzenia cieczą Vertiv.
Dowiedz się więcej:
Jak wdrożyć chłodzenie cieczą w istniejących centrach danych
Wraz ze wzrostem popytu na modele sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML) prawdopodobnie rozwijasz swoją strategię chłodzenia i odkrywasz nowe opcje. Stwórz plan działania dotyczący wdrożenia chłodzenia cieczą, korzystając z niniejszego przewodnika technicznego zawierającego praktyczne strategie wdrożenia chłodzenia cieczą dla obciążeń IT o mocy 1 MW.
Wybierz optymalne rozwiązanie do wysokiej gęstości
Technologia chłodzenia bezpośredniego przekształca centra danych, reagując na intensywne obciążenia cieplne związane z obciążeniami HPC, takimi jak sztuczna inteligencja, uczenie maszynowe i analityka dużych zbiorów danych. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na moc obliczeniową, bardziej wydajne rozwiązania chłodnicze są niezbędne do utrzymania optymalnej wydajności.
Zrób kolejny krok w kierunku obliczeń o wysokiej gęstości z pełnym przekonaniem. Bez względu na to, od czego zaczynasz i gdzie chcesz dotrzeć, Vertiv może dostosować rozwiązania, aby przekształcić możliwości chłodzenia Twojego centrum danych.
