Technologie de refroidissement par immersion : l'avenir de la gestion de la chaleur des centres de données

Alors que la consommation énergétique des racks atteint des niveaux sans précédent, le secteur des centres de données connaît une transformation profonde. Sous l'impulsion des applications d'intelligence artificielle (IA) et de calcul haute performance (HPC) gourmandes en ressources de calcul, les centres de données sont rapidement passés du refroidissement par air pour les racks dissipant 10 à 20 kilowatts à des systèmes de refroidissement capables de gérer des racks de 120 kilowatts alimentés par les superpuces Grace Blackwell de NVIDIA, rien que pour les besoins de refroidissement d'une seule armoire serveur !

La technologie traditionnelle de refroidissement par air ne suffit plus à répondre à ces exigences élevées en matière de dissipation thermique, ouvrant la voie au développement de solutions de refroidissement liquide avancées. Les principales options actuelles de refroidissement liquide se divisent principalement en deux catégories :« directement sur puce »et"immersion"Refroidissement. Contrairement aux méthodes traditionnelles de refroidissement par air, ces technologies utilisent des fluides tels que l'eau ou des fluides isolants pour dissiper la chaleur de l'équipement.

Cet article exploretechnologie de refroidissement par immersion, analysant ses principes de fonctionnement, ses avantages, ses défis et ses applications potentielles dans les environnements à haute puissance.

Technologie de refroidissement par immersion : composants entièrement immergés

La technologie de refroidissement par immersion immerge complètement les serveurs et autres composants électroniques dans un liquide isolant. La chaleur générée par l'équipement pendant son fonctionnement est transférée au fluide de refroidissement environnant. Le liquide chauffé remonte à la surface, est dirigé vers le système de refroidissement pour dissiper la chaleur, puis retourne au réservoir de liquide initial qui abrite l'équipement.

Il existe deux types de refroidissement par immersion :

1. Refroidissement par immersion monophasé

Ce système immerge entièrement tous les serveurs et équipements informatiques dans un liquide isolant. Lorsque la température des composants tels que les processeurs ou les cartes graphiques augmente, le liquide absorbe la chaleur générée. Le liquide chauffé est ensuite pompé vers un échangeur thermique où il est refroidi, puis renvoyé dans le réservoir de liquide de l'équipement.

Avantages :

●Absorption complète de la chaleur :Toute la chaleur générée par les serveurs (GPU, CPU, modules mémoire, etc.) est collectée et dissipée par le système de refroidissement.

●Liquide isolant :Assure que les composants restent protégés contre les courts-circuits.

Défis :

● Limitations de la puissance de conception thermique (TDP) :Lorsque le TDP du GPU dépasse 700 watts, l'immersion monophasée peut avoir du mal à fournir un refroidissement efficace.

●Investissement dans les infrastructures :La refonte de l'infrastructure des centres de données, notamment l'utilisation de réservoirs de liquides volumineux et lourds, nécessite des investissements importants. Cette solution est donc particulièrement adaptée aux nouveaux centres de données ou aux installations existantes, capables de supporter des rénovations et des renforcements structurels de grande envergure.

●Compatibilité avec les liquides isolants :Tous les composants (serveurs, connecteurs, circuits imprimés, etc.) doivent être compatibles avec le liquide isolant pour éviter tout dommage. Cela nécessite souvent un équipement sur mesure ou des modifications des serveurs.

●Refontes mécaniques :Certains composants du serveur, comme les connecteurs à fibre optique, ne fonctionnent pas correctement dans un environnement d'immersion et nécessitent des modifications mécaniques.

●Risque d’incendie :Les fluides utilisés dans le refroidissement par immersion, souvent à base d’hydrocarbures, sont inflammables et présentent des risques importants en cas d’incendie dans le centre de données.

●Difficultés d’entretien :Tout travail de maintenance nécessite l'utilisation de grues pour retirer les serveurs du réservoir de liquide, suivi d'une période d'attente de 30 minutes pour que le liquide s'écoule avant que les réparations puissent commencer.

●Problèmes de contamination :Si le liquide de refroidissement est contaminé (par exemple, de l'eau), le réservoir doit être vidangé et nettoyé, ce qui peut entraîner des temps d'arrêt pouvant aller jusqu'à une journée.

2. Refroidissement par immersion biphasé

Similaire à l'immersion monophasée, ce système immerge les serveurs et les équipements informatiques dans un liquide isolant. Cependant, lorsque les composants chauffent, le liquide entre en ébullition et produit de la vapeur. Cette vapeur monte à la surface du réservoir de liquide, où est installé un réseau de canalisations d'eau de refroidissement. La vapeur se condense au contact des canalisations, redevient liquide et s'écoule dans le réservoir. Pendant ce temps, l'eau chauffée dans les canalisations de refroidissement évacue la chaleur des équipements vers l'extérieur du centre de données.

Avantages :

●Absorption complète de la chaleur :Comme l'immersion monophasée, ce système absorbe entièrement toute la chaleur des serveurs (GPU, CPU, modules mémoire, etc.) pour un refroidissement efficace.

●Prend en charge des TDP élevés :Le refroidissement par immersion biphasé peut gérer des charges thermiques beaucoup plus élevées que les systèmes monophasés.

●Liquide isolant :Empêche les courts-circuits, assurant un fonctionnement sûr de l'équipement.

Défis :

●Compatibilité avec les liquides isolants :Similaire à l'immersion monophasée, tous les composants doivent être compatibles avec le liquide isolant pour éviter tout dommage, nécessitant un équipement spécialisé ou des modifications du serveur.

● Dommages par cavitation :Le processus d'ébullition dans les systèmes biphasés peut provoquer une cavitation, qui peut endommager les composants informatiques, les cartes de circuits imprimés et les joints de soudure.

●Investissement dans les infrastructures :Comme les systèmes monophasés, le refroidissement par immersion biphasé nécessite des investissements importants en infrastructures, notamment de grands réservoirs et des structures de bâtiment renforcées pour supporter le poids supplémentaire.

●Défis de maintenance :En raison du poids des réservoirs et des dispositifs d'immersion, les travaux de maintenance nécessitent généralement des grues, ce qui entraîne des temps d'arrêt prolongés.

●Impact environnemental :Chaque fois que le réservoir de liquide est ouvert pour maintenance, des vapeurs de substances perfluoroalkylées (PFAS) sont libérées dans l'atmosphère. Cela entraîne une perte annuelle d'environ 10 % du liquide de refroidissement (des centaines de litres), contribuant ainsi à des préoccupations environnementales.

Conclusion : L’avenir du refroidissement des centres de données

La technologie de refroidissement par immersion, capable de gérer efficacement des charges thermiques extrêmement élevées, s'impose rapidement comme une solution clé pour les centres de données modernes, notamment ceux conçus pour l'IA, le HPC et d'autres applications intensives. Si ces systèmes présentent des avantages évidents en termes de gestion thermique et d'efficacité énergétique, leurs importantes exigences en matière d'infrastructure, leur impact environnemental potentiel et leurs défis de maintenance doivent être soigneusement pris en compte.

Alors que la demande en calcul haute performance continue de croître, les systèmes de refroidissement par immersion sont sur le point de jouer un rôle essentiel pour garantir que les centres de données puissent évoluer efficacement tout en gérant leurs besoins croissants en matière de consommation d'énergie et de dissipation de chaleur.

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