随着 高性能计算 (HPC) 工作负载的不断增长，人工智能数据中心正在部署液冷解决方案以改善散热管理。其中最常见的方案之一是芯片直接冷却，它利用液体的高导热性能将热量从单个处理器芯片上带走。
空气辅助液冷技术为致力于利用 人工智能 (AI) 并保持竞争优势的企业提供了战略优势。结合高效的机房冷却和直接液冷方法，可以帮助企业降低能源成本、提升性能并满足 AI 数据中心的需求。
数据中心液冷概述
高性能计算 (HPC) 服务的广泛应用，例如人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和数据分析，导致芯片、服务器和机架密度以及功耗迅速增长。随着机架密度提升至 20 千瓦 (kW) 并迅速接近 50 kW，HPC 基础设施的发热量已使传统机房冷却方式的性能接近极限。此外，全球数据中心和其他企业面临着越来越大的压力，需要持续 降低能耗 。为了满足这些需求，数据中心运营商正在研究各种液冷方案（见图 1）。
液冷利用水或其他介电液体的更高导热性能，高效地将服务器组件产生的热量散发出去。对于高性能计算（HPC）基础设施而言，液冷的散热效率比单独使用风冷高出 3000倍 ，因为HPC的发热量远超传统散热方式的处理能力。液冷技术涵盖了人工智能数据中心中多种用于散热的方案。
高性能计算冷却方案
数据中心运营商目前采用三种液冷方案：建设完全液冷的数据中心、改造现有风冷设施以支持未来的液冷机架，以及将液冷技术集成到现有的风冷设施中。大多数运营商可能会选择最后一种方案，以提高容量、满足当前的业务需求并快速收回投资。高性能计算 (HPC) 基础设施的液冷方案包括 后门热交换器 (RDHx)、芯片直接冷却和浸没式冷却。
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数据中心液冷方案
随着处理密集型计算应用的增长，数据中心运营商正在评估液冷技术以提高能源效率。
了解芯片直接冷却技术
芯片直接冷却是一种先进的热管理技术，主要用于数据中心，利用 高性能计算（HPC）硬件 高效散热。 该方法通过冷板将安全的介电液体冷却剂直接循环流过计算机芯片表面，从而高效吸收和带走热量 （见图 2）。无论负载如何变化或外部环境如何，这都能使处理器温度保持在最佳水平。
芯片级直接冷却能够提高能源效率，最大限度地降低过热风险，并提升系统整体性能。 高性能计算数据中心 运营商认为这种方法是一种高效的数据中心冷却方式，因为冷却直接作用于处理器和其他硬件的发热组件。随着数据中心不断发展以应对日益增长的计算需求，并追求更高的密度和效率，这项技术显得尤为重要。
芯片直接冷却系统的基本组成部分
芯片级直接冷却技术可将热量直接从芯片散发出去，使数据中心能够在提高机架密度的同时，最大限度地提高能源效率。这种液冷解决方案由多个无缝协作的组件构成。芯片级直接冷却技术的组件包括：
- 冷却液由专为芯片直接冷却而设计的介电化合物或液体组成。
- 输送液体的管道（或循环器）
- 液体可以穿过的板
- 一种将热量从热源传导到基板的热界面材料
芯片直接冷却的工作原理是什么？
芯片直接冷却通过单相或两相过程带走热量。这些方法提高了人工智能数据中心冷却系统的效率。
单相直接芯片冷却
单相芯片直接冷却是指使用冷板将服务器组件（例如 CPU 和 GPU）的热量传递出去。冷却液吸收热量并流经 冷却液分配单元 (CDU)，在那里，热交换器将热量传递给另一种介质以排出室外（参见 图 3）。非导电冷却液可降低电气风险，从而提高系统安全性和可靠性。
流体的选择 取决于流体的热捕获性能和粘度之间的平衡。水具有最高的热捕获能力，但通常与乙二醇混合使用，这会降低热捕获能力，但会增加粘度以提高泵送效率。这些系统也可以使用介电流体来减轻泄漏造成的损害；然而，介电流体的热传输能力低于水/乙二醇混合物。
两相直接芯片冷却
在两相冷板中，低压介电液体流入蒸发器，服务器组件产生的热量使液体沸腾。产生的蒸汽将热量从蒸发器带走，并将其转移到机架外部，从而实现有效的散热。
芯片直接冷却的优势
考虑到芯片直接冷却带来的效率提升，这项技术因其为行业带来的持续学习和创新而日益受到重视：
提高可靠性和性能：直接芯片冷却和其他液冷解决方案最大限度地降低了过热的风险，并保持均匀、较低的工作温度，这对于保持 HPC 硬件 的可靠性和使用寿命以及避免性能下降至关重要。
更充分的系统设计和部署考虑：芯片直接冷却可以无缝集成到现有服务器设计中，最大限度地减少对运营的干扰，并简化部署过程。
可扩展性强：液冷技术允许在更小的物理空间内容纳更多处理器，无需扩容或新建机房。通过提供更高效的散热管理，芯片级直接冷却可实现按需扩展，从而更轻松地扩展业务，而不会影响性能和服务运行。
降低总体拥有成本 (TCO)： 美国采暖、制冷与空调工程师协会 (ASHRAE) 在其 报告中指出，与仅采用风冷系统的数据中心相比，同时采用风冷和液冷的数据中心可以降低 总体拥有成本 。这种降低归功于更高的密度、更充分地利用自然冷却以及更高的每瓦性能。
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DCD冷却变换
数据中心动态报告显示，冷却能耗占数据中心总能耗的40%之多。鉴于此，找到最合适的解决方案的重要性不容低估。
为数据中心液冷部署做准备
由于各企业的计算需求各不相同，因此并不存在适用于所有企业的通用人工智能冷却解决方案。为了满足这些独特的需求，包括专注于人工智能的数据中心在内的现代数据中心，可以通过执行以下步骤来部署芯片级直接冷却或其他高性能计算冷却方法：
确定冷却需求：IT 和设施团队必须决定如何为新的 AI 或高性能计算工作负载分配资源，以满足未来一到两年的当前和未来需求，无论是通过一次改造几个机架，还是专门腾出一个房间。
测量热足迹：冷却团队需要确定 AI 配置，评估非标准要求，并评估当前气流，同时解决新的热负荷和冷却限制之间的差距。
评估流量：团队可能会根据 IT 设备的生命周期选择升级冷却解决方案，尤其是在即将进行的硬件更新需要为下一代芯片提供额外容量的情况下。
探索数据中心中直接芯片冷却部署的解决方案
IT 和设施团队在安装专用基础设施后，即可开始部署直接芯片冷却或其他数据中心液冷解决方案。该基础设施可创建流体冷却回路，从而实现设施和辅助回路之间的热传递，并使用除设施用水以外的流体进行冷却（见图 4）。
液-液常压蒸馏装置
冷流分配单元 (CDU) 为芯片级冷板、 后门热交换器和浸没式冷却系统提供可控、无污染的冷却液。 拥有冷水系统的团队可以使用液-液冷流分配单元，为 液冷 IT 设备提供独立的冷却回路，使其与机房主冷水系统隔离。选择此方案，他们可以自行选择机架所需的冷却液及其流速，例如处理过的水或水-乙二醇混合液。
与通常在非工作时间和淡季关闭的 传统舒适性制冷系统 不同，冷冻水系统需要持续运行才能成功部署。在使用现有冷冻水系统时，通过过滤方案优先保证水质也至关重要。此外，液-液式常冷装置需要安装管道和水泵才能连接到设施的供水系统，这可能会影响部署时间。
液气式常量装置
液冷式冷却单元 (CDU) 为机架提供独立的辅助流体回路，即使没有冷水供应也能散发 IT 组件产生的热量。加热后的流体返回 CDU 并流经热交换器 (HX) 盘管。风扇将空气吹过这些盘管，从而将热量从数据中心散发出去。现有的风冷基础设施随后会收集这些热量并将其排出室外，使数据中心能够继续使用传统的机房冷却方式，实现芯片级直接冷却。
液冷式空调机组（CDU）可利用现有房间冷却装置进行散热，从而加快液冷部署速度。与液液式空调机组相比，该方案只需对建筑系统进行少量改造即可连接水管，占用空间更小，安装成本和初始成本也更低。然而，液冷式空调机组的冷却能力有限，这对于人工智能数据中心而言可能是一个重要的考虑因素。
液冷式制冷剂循环装置
液冷式冷却单元 (CDU) 将液体直接输送到芯片，并利用制冷剂冷凝器进行直接膨胀 (DX) 散热。这种方法最大限度地利用了现有的 DX 基础设施，并在需要时增强了液冷能力。它使数据中心能够快速部署高性能计算 (HPC) 冷却，而无需现场冷冻水，从而实现模块化配置，而无需彻底改造现有的冷却基础设施。
采用泵送制冷剂节能（PRE）散热技术的液冷式制冷机组（CDU）根据环境温度进行 制冷，从而降低能耗。其内部组件冷却二次流体网络，将高密度冷量直接输送至服务器冷板。
后门热交换器（RDHX）
数据中心可以采用 RDHX作为实现 高密度 冷却的第一步。如果容量合适，RDHX 可以与现有的空气冷却系统配合使用，无需对机房空间进行重大结构改造。它们还可以省去封闭式冷却策略（见图 5）。被动式 RDHX 适用于 5 至 25 kW 的负载，而 主动式 RDHX的额定容量可达 50 kW，在某些情况下，其测试容量甚至超过 70 kW。
成功实现芯片级直接冷却集成的考量因素
实施芯片直接冷却技术需要仔细评估可能影响其集成的各种挑战。关键考虑因素包括与现有基础设施的兼容性、有效的流体管理以及解决设备容量限制，以确保成功部署。
流体分布
设计安全高效的流体分配系统，最大限度地降低泄漏风险，并主动进行泄漏检测，对于成功部署至关重要。IT 和设施团队应核实化学成分、系统温度、压力和接头，以防止泄漏或故障。采用快速断开接头和截止阀可提高可维护性，方便接头拆卸，并能及时处理泄漏。此外，关键基础设施组件（尤其是常温配电装置 (CDU)）的设计至关重要。这些技术可精确控制流体流量和压力，从而减轻任何泄漏的影响。
泄漏检测与干预
一套全面的 泄漏检测系统 能够及时发出潜在问题的警报，从而提高液冷装置的安全性和可靠性，有助于减少停机时间并防止设备损坏。间接检测方法监测压力和流量的变化，而直接检测方法则使用传感器或电缆来精确定位泄漏点。正确设置这些系统至关重要；减少误报可以维持运行效率，同时还能检测到需要紧急处理的真实泄漏。
与基础设施合作伙伴密切合作对于针对特定应用定制系统至关重要，从而最大限度地发挥人工和自动干预策略的有效性，以保护超过 30 kW 的高密度配置。
液体管理
流体管理是指为满足液冷系统的冷却液需求而提供的定制化服务。这些服务包括污染物清除、空气吹扫、冷却液取样、质量检测、调整以及环保处置。通过与顶级冷却液供应商合作，Vertiv 的流体管理服务确保了 Vertiv 液冷系统的最佳性能和可靠性。
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如何在现有数据中心实施液冷
随着人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 模型需求的激增，您可能正在改进冷却策略并探索新的方案。本技术指南将为您提供针对 1MW IT 负载采用液冷技术的实用策略，助您制定液冷部署路线图。
选择通往高密度住宅区的道路
直接芯片冷却技术正在变革数据中心，有效应对高性能计算（HPC）工作负载（例如人工智能、机器学习和大数据分析）带来的高强度热负荷。随着处理能力需求的不断增长，更高效的冷却解决方案对于维持最佳性能至关重要。
迈向高密度计算，信心十足。无论您的起点如何，目标又是什么，Vertiv 都能为您量身定制解决方案，彻底改变您数据中心的冷却能力。
