Nghiên cứu về ngành công nghiệp làm mát bằng chất lỏng cho máy chủ

 

IDC là ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng cao điển hình và phải đối mặt với những hạn chế về chính sách tiêu thụ năng lượng. Các khu vực phát triển đã đưa ra các chính sách hạn chế tiêu thụ năng lượng và mức tiêu thụ năng lượng của IDC chủ yếu tập trung vào làm mát. Mức tiêu thụ điện năng nhiệt của máy chủ AI cao hơn năm lần so với máy chủ thông thường, đòi hỏi phải làm mát bằng chất lỏng hiệu quả hơn để đạt được mục tiêu làm mát và giảm mức PUE.

 

Được thúc đẩy bởi Nvidia và các nhà khai thác trong nước, tỷ lệ thâm nhập của làm mát bằng chất lỏng (tấm làm mát lạnh) trong máy chủ sẽ vượt quá 10% vào năm 2024, bước vào giai đoạn tăng trưởng nhanh chóng. Dự kiến ​​tỷ lệ thâm nhập làm mát bằng chất lỏng trong nước sẽ đạt 30% vào năm 2028, với quy mô thị trường hơn 20 tỷ RMB.

 

Các thành phần có giá trị nhất trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng là các tấm và ống làm mát bằng chất lỏng. Ước tính thị trường trong nước sẽ đạt khoảng 10 tỷ RMB vào năm 2028. Vì rào cản kỹ thuật của sản phẩm không cao nên các công ty tham gia thị trường sớm và thiết lập quan hệ đối tác với các nhà sản xuất chip lõi và máy chủ sẽ có lợi thế đáng kể.

 

Các công ty trong chuỗi cung ứng của Nvidia và Huawei sẽ có cơ hội đầu tư tốt hơn, đặc biệt chú ý đến Inovance Technology, Gaolan Co., Ltd., Jingyan Technology và Siquan New Materials.

 

 

Máy chủ AI/IDC yêu cầu hệ thống làm mát bằng chất lỏng

 

1) Tiêu thụ điện năng cao của máy chủ AI đòi hỏi phải làm mát bằng chất lỏng

Một máy chủ CPU tiêu chuẩn có kích thước 4U (737mm × 437mm × 178mm) thường tiêu thụ khoảng 800W điện, với công suất tỏa nhiệt khoảng 200W, tương ứng với 50W/U nhiệt tỏa ra trên một đơn vị không gian. Ngược lại, một máy chủ AI được trang bị 8 chip GPU cùng định dạng kích thước có tổng công suất tiêu thụ khoảng 5KW và công suất tỏa nhiệt khoảng 1000W, tương ứng với 250W/U nhiệt tỏa ra trên một đơn vị không gian, gấp khoảng bốn lần so với một máy chủ thông thường. Công suất tản nhiệt tối đa của một máy chủ làm mát bằng không khí 4U thông thường là 600W, thấp hơn nhiều so với yêu cầu tản nhiệt 1000W của máy chủ AI, khiến việc làm mát bằng chất lỏng trở nên cần thiết.

 

▲ Nhu cầu tản nhiệt của máy chủ AI cao hơn khoảng 5 lần so với máy chủ thông thường

 

2) Máy chủ AI IDC phải sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng

Để duy trì nhiệt độ phòng máy chủ trong khoảng 20-25 độ, một IDC máy chủ chung sử dụng làm mát bằng không khí có thể đạt được PUE tối thiểu là 1,3, hầu như không đáp ứng được các yêu cầu về chính sách. Tuy nhiên, một IDC máy chủ AI sử dụng làm mát bằng không khí chỉ có thể đạt được PUE là 1,6. Do đó, chỉ bằng cách sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng, PUE của phòng máy chủ mới có thể được giữ ở mức dưới 1,3 yêu cầu.

 

▲ So sánh các giải pháp làm mát khác nhau

 

Theo thông tin mới nhất từ ​​chuỗi ngành, Nvidia sẽ áp dụng hoàn toàn hệ thống làm mát bằng chất lỏng bắt đầu từ B100 và sẽ ra mắt giải pháp làm mát bằng chất lỏng được tùy chỉnh hoàn toàn vào năm 2024, đẩy nhanh đáng kể quá trình phát triển máy chủ làm mát bằng chất lỏng.

 

 

II Tấm làm mát bằng chất lỏng/Ống làm mát bằng chất lỏng

 

1) Tối ưu hóa quản lý nhiệt với tấm làm mát bằng chất lỏng

Tấm làm mát bằng chất lỏng truyền nhiệt từ các thành phần sinh nhiệt gián tiếp đến chất lỏng làm mát lưu thông trong hệ thống vòng kín thông qua tấm lạnh, thường được làm bằng kim loại dẫn nhiệt như đồng hoặc nhôm. Chất lỏng làm mát sau đó mang nhiệt đi. Có bốn yêu cầu kỹ thuật chính đối với chất lượng của tấm làm mát bằng chất lỏng: thứ nhất, khả năng làm mát cao; thứ hai, độ tin cậy cao để đảm bảo độ kín của tấm lạnh; thứ ba, thiết kế tản nhiệt chính xác để tránh chênh lệch nhiệt độ lớn trong hệ thống; và thứ tư, kiểm soát chặt chẽ trọng lượng của tấm lạnh để ngăn hệ thống làm mát làm giảm đáng kể mật độ năng lượng của toàn bộ hệ thống.

 

Tấm làm mát bằng chất lỏng được sản xuất bằng quy trình gia công, cho phép thiết kế tự do các kích thước và đường dẫn kênh bên trong. Điều này làm cho chúng phù hợp với các sản phẩm quản lý nhiệt có mật độ công suất cao, bố trí nguồn nhiệt không đều và hạn chế về không gian. Chúng chủ yếu được ứng dụng trong thiết kế các sản phẩm làm mát cho bộ chuyển đổi năng lượng gió, bộ biến tần quang điện, IGBT, bộ điều khiển động cơ, laser, nguồn điện lưu trữ năng lượng, máy chủ siêu máy tính và các lĩnh vực khác, nhưng ít được sử dụng hơn trong hệ thống pin điện.

2) Làm mát bằng chất lỏng dạng tấm lạnh là giải pháp chính thống

 

 

▲ Giải pháp làm mát bằng tấm lạnh và chất lỏng ngâm

 

Có hai giải pháp làm mát bằng chất lỏng chính: tấm lạnh và nhúng. Giải pháp tấm lạnh sử dụng tấm làm mát bằng chất lỏng rỗng gắn vào bề mặt CPU và GPU. Nhiệt được dẫn đi bởi chất làm mát chảy bên trong, làm giảm PUE của IDC xuống còn 1,2. Giải pháp nhúng trực tiếp nhúng toàn bộ máy chủ vào chất lỏng làm mát cách nhiệt đặc biệt, loại bỏ nhiệt thông qua quá trình lưu thông của chất lỏng. Phương pháp này có thể đạt được PUE dưới 1,1 và chủ yếu được sử dụng cho các siêu máy tính có mật độ công suất cực cao. Dự kiến, làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh sẽ trở thành giải pháp làm mát bằng chất lỏng chính thống trong tương lai, chiếm hơn 90% lượng sử dụng hệ thống làm mát bằng chất lỏng.

 

3) Tấm làm mát bằng chất lỏng và ống làm mát bằng chất lỏng

 

 

▲ Sơ đồ hệ thống làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh

 

Hệ thống làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh bao gồm ba phần chính: hệ thống dẫn nhiệt bên trong của khung máy chủ (tấm và ống làm mát bằng chất lỏng), hệ thống tuần hoàn bên ngoài của khung máy (bơm, van, ống) và hệ thống trao đổi nhiệt bên ngoài của phòng máy chủ (tháp làm mát, v.v.). Trong số này, hệ thống trao đổi nhiệt và tháp làm mát được coi là thiết bị cơ điện thông thường và có giá trị thấp. Do đó, giá trị của hệ thống làm mát bằng chất lỏng chủ yếu tập trung vào các tấm và ống làm mát bằng chất lỏng bên trong khung máy.