Immersionskühlungstechnologie: Die Zukunft des Wärmemanagements in Rechenzentren

Da der Stromverbrauch von Racks auf ein beispielloses Niveau steigt, befindet sich die Rechenzentrumsbranche in einem massiven Wandel. Angetrieben durch rechenintensive Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) und des Hochleistungsrechnens (HPC) sind Rechenzentren schnell von der Luftkühlung für Racks mit einer Leistungsaufnahme von 10 bis 20 Kilowatt auf Kühlsysteme umgestiegen, die 120-Kilowatt-Racks mit NVIDIA Grace Blackwell-Superchips bewältigen können – und das nur für den Kühlbedarf eines einzigen Serverschranks!

Herkömmliche Luftkühlungstechnologien reichen nicht mehr aus, um den hohen Anforderungen an die Wärmeableitung gerecht zu werden. Daher ist die Entwicklung fortschrittlicher Flüssigkeitskühlungslösungen unerlässlich. Die gängigen Flüssigkeitskühlungsoptionen lassen sich im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilen:„Direkt auf den Chip“Und"Eintauchen"Kühlung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Luftkühlungsmethoden verwenden diese Technologien flüssige Medien wie Wasser oder Isolierflüssigkeiten, um die Wärme vom Gerät abzuleiten.

Dieser Artikel untersuchtImmersionskühltechnologie, wobei seine Funktionsprinzipien, Vorteile, Herausforderungen und potenziellen Anwendungen in Hochleistungsumgebungen analysiert werden.

Immersionskühlungstechnologie: Vollständig untergetauchte Komponenten

Bei der Immersionskühlung werden Server und andere elektronische Komponenten vollständig in eine isolierende Flüssigkeit eingetaucht. Die im Betrieb entstehende Wärme wird an das umgebende Kühlmedium abgegeben. Die erwärmte Flüssigkeit steigt an die Oberfläche, wird zum Kühlsystem geleitet, um die Wärme abzuleiten, und fließt anschließend in den ursprünglichen Flüssigkeitsbehälter zurück, in dem sich die Geräte befinden.

Es gibt zwei Arten der Immersionskühlung:

1. Einphasige Immersionskühlung

Bei diesem System werden alle Server und IT-Geräte vollständig in eine isolierende Flüssigkeit eingetaucht. Steigt die Temperatur von Komponenten wie CPUs oder GPUs, absorbiert die Flüssigkeit die entstehende Wärme. Die erhitzte Flüssigkeit wird anschließend zu einem Wärmetauscher gepumpt, wo sie abgekühlt wird. Anschließend wird die abgekühlte Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter des Geräts zurückgeführt.

Vorteile:

● Vollständige Wärmeabsorption:Die gesamte von Servern (GPU, CPU, Speichermodule usw.) erzeugte Wärme wird vom Kühlsystem erfasst und abgeleitet.

●Isolierflüssigkeit:Stellt sicher, dass die Komponenten vor Kurzschlüssen geschützt bleiben.

Herausforderungen:

●Einschränkungen der Thermal Design Power (TDP):Wenn die TDP der GPU 700 Watt übersteigt, kann eine einphasige Immersion möglicherweise keine wirksame Kühlung gewährleisten.

●Investitionen in die Infrastruktur:Die Neugestaltung der Rechenzentrumsinfrastruktur, einschließlich großer, schwerer Flüssigkeitsbehälter, erfordert erhebliche Investitionen. Daher eignet sie sich besser für neue Rechenzentren oder bestehende Anlagen, die umfangreiche Renovierungen und strukturelle Verstärkungen ermöglichen.

●Kompatibilität mit Isolierflüssigkeiten:Alle Komponenten (Server, Steckverbinder, Leiterplatten usw.) müssen mit der Isolierflüssigkeit kompatibel sein, um Schäden zu vermeiden. Dies erfordert oft spezielle Ausrüstung oder Modifikationen an den Servern.

●Mechanische Neukonstruktionen:Einige Serverkomponenten, wie beispielsweise Glasfaseranschlüsse, funktionieren in einer Immersionsumgebung nicht ordnungsgemäß und erfordern mechanische Änderungen.

●Brandgefahr:Die bei der Immersionskühlung verwendeten Flüssigkeiten, die häufig auf Kohlenwasserstoffen basieren, sind entflammbar und stellen im Falle eines Brandes im Rechenzentrum ein erhebliches Risiko dar.

●Wartungsschwierigkeiten:Bei allen Wartungsarbeiten müssen die Server mithilfe von Kränen aus dem Flüssigkeitsbehälter entfernt werden. Anschließend muss eine 30-minütige Wartezeit eingehalten werden, damit die Flüssigkeit ablaufen kann, bevor mit den Reparaturen begonnen werden kann.

●Kontaminationsprobleme:Bei Verunreinigungen der Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser) muss der Behälter entleert und gereinigt werden, was zu Ausfallzeiten von bis zu einem Tag führen kann.

2. Zweiphasige Immersionskühlung

Ähnlich wie bei der einphasigen Immersion werden Server und IT-Geräte bei diesem System in eine isolierende Flüssigkeit getaucht. Erhitzen sich die Komponenten, beginnt die Flüssigkeit zu sieden und Dampf zu erzeugen. Dieser steigt zum Flüssigkeitsbehälter auf, wo ein Kühlwasserleitungsnetz installiert ist. Beim Kontakt mit den Kühlrohren kondensiert der Dampf, verflüssigt sich wieder und tropft zurück in den Behälter. Gleichzeitig leitet das erhitzte Wasser in den Kühlrohren die Wärme von den Geräten weg und aus dem Rechenzentrum ab.

Vorteile:

● Vollständige Wärmeabsorption:Wie bei der einphasigen Immersion absorbiert dieses System die gesamte Wärme von Servern (GPU, CPU, Speichermodule usw.) und sorgt so für eine effiziente Kühlung.

●Unterstützt hohe TDPs:Die Zweiphasen-Immersionskühlung kann im Vergleich zu Einphasensystemen wesentlich höhere Wärmelasten bewältigen.

●Isolierflüssigkeit:Verhindert Kurzschlüsse und gewährleistet so den sicheren Betrieb der Geräte.

Herausforderungen:

●Kompatibilität mit Isolierflüssigkeiten:Ähnlich wie bei der einphasigen Immersion müssen alle Komponenten mit der Isolierflüssigkeit kompatibel sein, um Schäden zu vermeiden, was spezielle Geräte oder Servermodifikationen erfordert.

●Kavitationsschäden:Der Siedevorgang in Zweiphasensystemen kann Kavitation verursachen, die IT-Komponenten, Leiterplatten und Lötstellen beschädigen kann.

●Investitionen in die Infrastruktur:Wie bei einphasigen Systemen sind auch bei der zweiphasigen Immersionskühlung hohe Investitionen in die Infrastruktur erforderlich, darunter große Reservoirs und verstärkte Gebäudestrukturen, um das zusätzliche Gewicht aufzunehmen.

●Wartungsherausforderungen:Aufgrund des Gewichts der Reservoirs und Tauchvorrichtungen sind für Wartungsarbeiten in der Regel Kräne erforderlich, was zu längeren Ausfallzeiten führt.

● Umweltauswirkungen:Jedes Mal, wenn der Flüssigkeitsbehälter zu Wartungszwecken geöffnet wird, werden Dämpfe perfluorierter Alkylsubstanzen (PFAS) in die Atmosphäre freigesetzt. Dies führt zu einem jährlichen Verlust von etwa 10 % der Kühlflüssigkeit (Hunderte Liter) und trägt zu Umweltproblemen bei.

Fazit: Die Zukunft der Rechenzentrumskühlung

Die Immersionskühlungstechnologie, die extrem hohe Wärmelasten effizient bewältigen kann, entwickelt sich schnell zu einer Schlüssellösung für moderne Rechenzentren, insbesondere für KI, HPC und andere rechenintensive Anwendungen. Diese Systeme bieten zwar klare Vorteile hinsichtlich Wärmemanagement und Energieeffizienz, doch die erheblichen Infrastrukturanforderungen, die potenziellen Umweltauswirkungen und die Wartungsanforderungen sollten sorgfältig abgewogen werden.

Da die Nachfrage nach Hochleistungsrechnern weiter steigt, werden Immersionskühlsysteme eine entscheidende Rolle dabei spielen, sicherzustellen, dass Rechenzentren effektiv skaliert werden können und gleichzeitig ihren steigenden Stromverbrauch und Wärmeableitungsbedarf bewältigen können.

BeiTongyu-TechnologieWir sind ein führender Anbieter von Kühllösungen. Kontaktieren Sie uns gerne für individuelle Kühllösungen, die auf die Bedürfnisse Ihres Rechenzentrums zugeschnitten sind.