Os centros de dados de inteligência artificial estão a implementar soluções de arrefecimento líquido para melhorar a gestão térmica à medida que as cargas de trabalho de computação de alto desempenho (HPC) aumentam. Uma das opções mais comuns é o arrefecimento direto ao chip, que aproveita as propriedades de transferência térmica elevadas do líquido para remover o calor das limalhas individuais do processador.
O arrefecimento líquido assistido a ar oferece uma vantagem estratégica para empresas que visam aproveitar a inteligência artificial (IA) e manter uma vantagem competitiva. A combinação de métodos eficientes de arrefecimento de sala e líquido direto pode ajudar as organizações a reduzir os custos de energia, aumentar o desempenho e satisfazer as exigências dos centros de dados de IA.
Descrição geral do arrefecimento líquido do centro de dados
A adoção generalizada de serviços HPC, como IA, aprendizagem automática (ML) e análise de dados, causa um aumento rápido nas densidades de chip, servidor e bastidor e consumo de energia. À medida que as densidades dos bastidores sobem até 20 quilowatts (kW) e se aproximam rapidamente dos 50 kW, os níveis de calor da infraestrutura HPC estão a levar as capacidades dos métodos tradicionais de arrefecimento de salas até aos seus limites. Além disso, existe uma pressão global crescente nos centros de dados e outras empresas para reduzir continuamente o consumo de energia. Para satisfazer estas exigências, os operadores de centros de dados estão a investigar as suas opções de arrefecimento líquido (consulte a Figura 1).
O arrefecimento líquido aproveita as propriedades de transferência térmica mais elevadas da água ou de outros fluidos dielétricos para dissipar o calor dos componentes do servidor de forma eficiente. Esta solução é 3000 vezes mais eficaz do que a utilização de arrefecimento a ar isolado para infraestruturas HPC, cujos níveis de calor ultrapassam as capacidades dos métodos tradicionais. O arrefecimento líquido inclui várias técnicas para gerir o calor em centros de dados de inteligência artificial.
Opções de arrefecimento HPC
Os operadores de centros de dados estão a adotar três abordagens ao arrefecimento líquido: construir centros de dados totalmente arrefecidos a líquido, reequipar instalações arrefecidas a ar para apoiar bastidores arrefecidos a líquido no futuro e integrar o arrefecimento líquido em instalações arrefecidas a ar existentes. A maioria das operadoras irá provavelmente escolher a última abordagem para aumentar a capacidade, satisfazer necessidades empresariais imediatas e alcançar um rápido retorno do investimento. As opções de arrefecimento líquido para a infraestrutura HPC incluem permutadores de calor da porta traseira (RDHx), arrefecimento direto ao chip e arrefecimento por imersão.
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Opções de arrefecimento líquido para centros de dados
Os operadores de centros de dados estão a avaliar as tecnologias para aumentar a eficiência energética do arrefecimento líquido, para acompanhar o crescimento de aplicações informáticas com processamentos intensivos.
Compreender o arrefecimento direto ao chip
O arrefecimento direto ao chip é uma tecnologia de gestão térmica avançada utilizada principalmente em centros de dados que utilizam hardware HPC para dissipar o calor de forma eficiente. Este método envolve a circulação de um líquido de refrigeração dielétrico seguro diretamente sobre as superfícies das limalhas do computador através de placas frias para absorver e remover eficientemente o calor (consulte a Figura 2). Isto pode manter as temperaturas dos processadores em níveis ideais, independentemente da carga e climas externos.
O arrefecimento direto ao chip melhora a eficiência energética, minimiza o risco de sobreaquecimento e melhora o desempenho geral do sistema. Os operadores de centros de dados HPC consideram esta abordagem um método de arrefecimento de centros de dados eficiente, uma vez que o arrefecimento é aplicado diretamente aos componentes geradores de calor dos processadores e outro hardware. Esta tecnologia é especialmente crítica à medida que os centros de dados evoluem para lidar com o aumento das exigências informáticas e esforçar-se por uma maior densidade e eficiência.
Componentes básicos de sistemas de arrefecimento directo ao chip
O arrefecimento direto ao chip dissipa o calor diretamente do chip, permitindo que os centros de dados suportem densidades de bastidor mais elevadas, maximizando a eficiência energética. Esta solução de arrefecimento líquido tem vários componentes que funcionam perfeitamente. Os componentes do arrefecimento directo ao chip incluem o seguinte:
- O líquido de arrefecimento é composto por um composto dielétrico ou fluido especialmente concebido para funcionamento direto ao chip
- Um tubo (ou circulador) que move o líquido
- Uma placa onde o líquido pode passar
- Um material de interface térmica que conduz o calor da fonte para a placa
Como funciona o arrefecimento direto ao chip?
O arrefecimento direto ao chip retira o calor através de um processo monofásico ou bifásico. Estes métodos melhoram a eficiência dos sistemas de arrefecimento em centros de dados de inteligência artificial.
Arrefecimento monofásico directo ao chip
O arrefecimento direto ao chip monofásico envolve a utilização de uma placa fria para transferir calor de componentes do servidor, como CPUs e GPUs. Um fluido de arrefecimento absorve o calor e flui através da unidade de distribuição de líquido de refrigeração (CDU), onde um permutador de calor o transfere para outro meio para rejeição exterior (consulte a Figura 3). Os líquidos de refrigeração não condutores reduzem os riscos elétricos, melhorando a segurança e a fiabilidade do sistema.
A seleção do fluido é determinada equilibrando as propriedades de captura térmica e a viscosidade do fluido. A água proporciona a mais elevada capacidade de captura de calor, mas é frequentemente misturada com glicol, o que reduz a captura de calor, mas aumenta a viscosidade para melhorar a eficiência do bombeamento. Estes sistemas também podem utilizar fluido dielétrico para mitigar os danos de uma fuga; no entanto, o fluido dielétrico tem uma capacidade de transporte térmico mais baixa do que a mistura de água/glicol.
Arrefecimento directo ao chip bifásico
Com placas frias bifásicas, um líquido dielétrico de baixa pressão flui para os evaporadores, onde o calor gerado pelos componentes do servidor ferve o fluido. O vapor resultante afasta o calor do evaporador e transfere-o para fora do bastidor para uma rejeição eficaz do calor.
Vantagens do arrefecimento direto ao chip
Calculando para a eficiência trazida pelo arrefecimento direto ao chip, a tecnologia está a ganhar impulso para a aprendizagem contínua e inovação que proporciona à indústria:
Maior fiabilidade e desempenho: O arrefecimento direto ao chip e outras soluções de arrefecimento líquido minimizam o risco de sobreaquecimento e mantêm temperaturas de funcionamento uniformes e mais baixas, o que é crucial para manter a fiabilidade e longevidade do hardware HPC e evitar a degradação do desempenho.
Maior consideração de projeto e implantação do sistema: O arrefecimento direto ao chip pode ser integrado de forma perfeita nos designs de servidores existentes, minimizando as interrupções nas operações e simplificando o processo de implementação.
Escalabilidade pronta: O arrefecimento líquido permite que mais processadores sejam alojados numa área física mais pequena e elimina a necessidade de expansões ou nova construção. Ao proporcionar uma gestão térmica mais eficaz, o arrefecimento direto ao chip facilita a escalabilidade conforme necessário, tornando mais fácil o crescimento das operações sem comprometer o desempenho e os serviços em funcionamento.
Custo total de propriedade (TCO) reduzido: No seu relatório, a Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE) descobriu que os centros de dados que utilizam arrefecimento a ar e líquido podem reduzir o TCO em comparação com apenas sistemas arrefecidos a ar. Esta redução deve-se a uma densidade mais elevada, maior utilização de arrefecimento livre e desempenho melhorado por watt.
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Transformação de arrefecimento DCD
O Datacenter Dynamics reporta que o arrefecimento representa até 40 por cento da fatura de energia total do centro de dados. Tendo isto em mente, a importância de encontrar uma solução mais adequada não deve ser subestimada.
Preparação para a implementação de arrefecimento líquido do centro de dados
Não existe uma solução de arrefecimento de IA única, uma vez que as empresas têm necessidades informáticas distintas. Para dar resposta aos seus requisitos únicos, os centros de dados modernos, incluindo os focados na inteligência artificial, podem começar a implementar arrefecimento direto ao chip ou outros métodos de arrefecimento HPC, executando os seguintes passos:
Determinar os requisitos de arrefecimento: As equipas de TI e instalações devem decidir como alocar recursos para novas cargas de trabalho de IA ou computação de alto desempenho para satisfazer as necessidades atuais e futuras ao longo dos próximos um a dois anos, quer convertendo alguns bastidores de cada vez ou dedicando uma sala inteira.
Medir a área útil de cobertura térmica: As equipas de arrefecimento precisam de identificar a configuração de IA, avaliar requisitos não padrão e avaliar o fluxo de ar atual, abordando simultaneamente as lacunas entre novas cargas térmicas e limites de arrefecimento.
Avaliação das taxas de fluxo: As equipas podem optar por atualizar soluções de arrefecimento com base no ciclo de vida do equipamento de TI, especialmente se as próximas atualizações de hardware exigirem capacidade adicional para chips de próxima geração.
Explorar soluções para implementação de arrefecimento direto ao chip em centros de dados
As equipas de TI e instalações podem começar a implementar soluções de arrefecimento direto ao chip ou outras soluções de arrefecimento líquido de centro de dados depois de instalar uma infraestrutura dedicada que crie um ciclo de arrefecimento de fluido que permita a transferência de calor entre as instalações e os circuitos secundários e o fluido que não a água das instalações a ser utilizada para arrefecimento (consulte a Figura 4).
CDU de líquido para líquido
As CDUs fornecem líquido de refrigeração controlado e sem contaminantes para placas frias diretas ao chip, bem como permutadores de calor da porta traseira e sistemas de arrefecimento de imersão. As equipas com acesso a água arrefecida podem utilizar uma CDU de líquido para líquido para fornecer um equipamento de TI arrefecido a líquido de circuito de arrefecimento separado, mantendo-o isolado do principal sistema de água arrefecida da instalação. A opção por esta solução permite-lhes escolher o fluido e a taxa de fluxo para os bastidores, como água tratada ou uma mistura de água-glicol.
Ao contrário dos sistemas de arrefecimento de conforto tradicionais que muitas vezes são desligados após horas e durante as estações baixas, o sistema de água arrefecida deve funcionar continuamente para uma implementação bem-sucedida. Priorizar a qualidade da água através de opções de filtração também é essencial ao utilizar sistemas de água arrefecida existentes. Além disso, as CDU de líquido para líquido requerem a instalação de tubos e bombas para ligar à água da instalação, o que pode afetar os prazos de implementação.
CDU líquido-ar
As CDU de líquido para ar fornecem um ciclo de fluido secundário independente para o bastidor, dissipando o calor dos componentes de TI mesmo sem acesso a água arrefecida. O fluido aquecido regressa à CDU e flui através das bobinas do permutador de calor (HX). As ventoinhas sopram ar sobre estas bobinas, dispersando o calor do centro de dados. A infraestrutura arrefecida a ar existente capta então este calor e expulsa-o para o exterior, permitindo que os centros de dados continuem a utilizar métodos tradicionais de arrefecimento de salas com arrefecimento direto ao chip.
As CDUs líquido-ar podem acelerar a implementação de arrefecimento líquido utilizando unidades de arrefecimento de sala existentes para rejeição de calor. Esta opção requer modificações mínimas para ligar tubos de água a sistemas de edifícios, ocupa menos espaço e tem menos custos de instalação e iniciais em comparação com CDU líquido a líquido. No entanto, as CDUs líquido-ar têm capacidade de arrefecimento limitada, o que pode ser uma consideração significativa para centros de dados de inteligência artificial.
CDU de líquido para líquido de refrigeração
As CDU de líquido para líquido de refrigeração fornecem líquido diretamente ao chip e utilizam condensadores à base de líquido de refrigeração para rejeição de calor de expansão direta (DX). Esta abordagem maximiza a infraestrutura DX existente, melhorando a capacidade de arrefecimento líquido quando necessário. Permite aos centros de dados implementar rapidamente o arrefecimento HPC sem precisar de água arrefecida no local, permitindo configurações modulares sem rever completamente a infraestrutura de arrefecimento existente.
As CDU de líquido para líquido de refrigeração que funcionam com tecnologia de rejeição de calor de poupança de líquido de refrigeração (PRE) bombeado fornecem arrefecimento com base nas temperaturas ambiente, reduzindo o consumo de energia. Os componentes internos arrefecem a rede de fluidos secundária para fornecer arrefecimento de alta densidade diretamente às placas frias do servidor.
Permutador de calor da porta traseira (RDHXs)
Os centros de dados podem implementar RDHX como primeiro passo para o arrefecimento de alta densidade. Quando adequadamente dimensionados, os RDHx podem ser utilizados com sistemas de arrefecimento a ar existentes, sem exigir alterações estruturais significativas no espaço branco. Também podem eliminar a necessidade de estratégias de contenção (consulte a Figura 5). As unidades passivas funcionam bem para cargas de 5 a 25 kW, enquanto o RDHX ativo fornece até 50 kW na capacidade nominal e foram testadas até 70+ kW em alguns casos.
Considerações para uma integração bem-sucedida do arrefecimento direto ao chip
A implementação de tecnologias de arrefecimento diretas ao chip envolve uma avaliação cuidadosa de vários desafios que podem afetar a sua integração. As principais considerações incluem a compatibilidade com a infraestrutura atual, a gestão eficaz de fluidos e o tratamento das limitações de capacidade do equipamento para garantir uma implementação bem-sucedida.
Distribuição de fluidos
Conceber sistemas de distribuição de fluidos seguros e eficientes com riscos mínimos de fugas, juntamente com a deteção proativa de fugas, é essencial para uma implementação bem-sucedida. As equipas de TI e instalações devem verificar a composição química, a temperatura do sistema, a pressão e os encaixes para evitar fugas ou falhas. A implementação de encaixes de desconexão rápida e válvulas de corte melhora a capacidade de manutenção, facilita a desconexão do encaixe e permite a intervenção imediata contra fugas. Além disso, o design de componentes de infraestrutura crítica, particularmente para CDU, é vital. Estas tecnologias proporcionam um controlo preciso sobre os volumes de fluidos e a pressão para mitigar o impacto de quaisquer fugas.
Deteção e intervenção de fugas
Um sistema de deteção de fugas abrangente melhora a segurança e a fiabilidade das configurações de arrefecimento líquido, fornecendo alertas atempados sobre potenciais problemas, o que ajuda a reduzir o tempo de inatividade e a evitar danos no equipamento. Os métodos de deteção indireta monitorizam as alterações na pressão e fluxo, enquanto os métodos diretos utilizam sensores ou cabos para localizar com precisão fugas. A configuração adequada destes sistemas é crucial; a redução de alarmes falsos mantém a eficiência operacional, permitindo a deteção de fugas reais que necessitam de atenção urgente.
Trabalhar em estreita colaboração com parceiros de infraestrutura é importante para personalizar o sistema para aplicações específicas, maximizando a eficácia de estratégias de intervenção manuais e automatizadas para proteger configurações de alta densidade acima de 30 kW.
Gestão de fluidos
A gestão de fluidos envolve serviços personalizados para satisfazer as necessidades de líquido de refrigeração dos sistemas de arrefecimento líquido. Estes serviços incluem remoção de contaminação, purga de ar, amostragem de líquido de refrigeração, teste de qualidade, ajustes e eliminação ecológica. Ao colaborar com os principais fornecedores de líquido de refrigeração, o serviço de gestão de fluidos da Vertiv garante o desempenho e a fiabilidade ideais dos sistemas de arrefecimento líquido da Vertiv.
Leia mais:
Como implementar o arrefecimento líquido em centros de dados existentes
À medida que a procura de modelos de inteligência artificial (IA) e aprendizagem automática (ML) aumenta, provavelmente está a evoluir a sua estratégia de arrefecimento e a explorar novas opções. Crie o seu roteiro para adotar o arrefecimento líquido com este guia técnico, com estratégias práticas para adotar o arrefecimento líquido para cargas de TI de 1MW.
Escolha o seu caminho para a densidade elevada
A tecnologia de arrefecimento direto ao chip está a transformar centros de dados, abordando as cargas de calor intensas associadas às cargas de trabalho HPC, tais como IA, aprendizagem automática e análise de grandes volumes de dados. Com a crescente procura de potência de processamento, são essenciais soluções de arrefecimento mais eficientes para manter um desempenho ideal.
Dê o próximo passo em direção à computação de alta densidade com confiança. Independentemente de onde começa ou onde pretende ir, a Vertiv pode personalizar soluções para transformar as capacidades de arrefecimento do seu centro de dados.
