Tecnologia di raffreddamento a immersione: il futuro della gestione del calore nei data center

Mentre il consumo energetico dei rack sale a livelli senza precedenti, il settore dei data center sta subendo una massiccia trasformazione. Guidati da applicazioni di Intelligenza Artificiale (AI) e High-Performance Computing (HPC) ad alta intensità di calcolo, i data center sono passati rapidamente dall'uso di strategie di raffreddamento ad aria per rack che dissipano 10-20 kilowatt all'attuale necessità di sistemi di raffreddamento in grado di gestire rack da 120 kilowatt alimentati dai superchip Grace Blackwell di NVIDIA, solo per le esigenze di raffreddamento di un singolo cabinet server!

La tradizionale tecnologia di raffreddamento ad aria non è più sufficiente per soddisfare tali elevate esigenze di dissipazione del calore, aprendo la strada allo sviluppo di soluzioni avanzate di raffreddamento a liquido. Le attuali opzioni di raffreddamento a liquido mainstream sono principalmente divise in due categorie:"direttamente sul chip"E"immersione"raffreddamento. A differenza dei tradizionali metodi di raffreddamento ad aria, queste tecnologie utilizzano mezzi liquidi come acqua o fluidi isolanti per dissipare il calore dall'apparecchiatura.

Questo articolo esploratecnologia di raffreddamento ad immersione, analizzandone i principi di funzionamento, i vantaggi, le sfide e le potenziali applicazioni in ambienti ad alta potenza.

Tecnologia di raffreddamento a immersione: componenti completamente immersi

La tecnologia di raffreddamento a immersione immerge completamente i server e gli altri componenti elettronici in un liquido isolante. Quando l'apparecchiatura genera calore durante il funzionamento, questo calore viene trasferito al mezzo di raffreddamento circostante. Il liquido riscaldato sale in superficie, viene diretto al sistema di raffreddamento per dissipare il calore e quindi ritorna al serbatoio di liquido iniziale che ospita l'apparecchiatura.

Esistono due tipi di raffreddamento ad immersione:

1. Raffreddamento ad immersione monofase

Questo sistema immerge completamente tutti i server e le apparecchiature IT in un liquido isolante. Quando la temperatura di componenti come CPU o GPU aumenta, il fluido assorbe il calore generato. Il fluido riscaldato viene quindi pompato in un'unità di scambio termico dove viene raffreddato e il fluido raffreddato viene restituito al serbatoio del liquido dell'apparecchiatura.

Vantaggi:

●Completo assorbimento del calore:Tutto il calore generato dai server (GPU, CPU, moduli di memoria, ecc.) viene raccolto e dissipato dal sistema di raffreddamento.

●Liquido isolante:Garantisce che i componenti rimangano protetti dai cortocircuiti.

Sfide:

●Limitazioni del TDP (Thermal Design Power):Quando il TDP della GPU supera i 700 watt, l'immersione monofase potrebbe avere difficoltà a fornire un raffreddamento efficace.

●Investimenti infrastrutturali:Sono necessari investimenti significativi per la riprogettazione dell'infrastruttura del data center, compresi grandi serbatoi di liquidi pesanti. Ciò lo rende più adatto per nuovi data center o strutture esistenti che possono ospitare ristrutturazioni su larga scala e rinforzi strutturali.

●Compatibilità con liquidi isolanti:Tutti i componenti (server, connettori, schede a circuito stampato, ecc.) devono essere compatibili con il liquido isolante per evitare danni. Ciò richiede spesso apparecchiature personalizzate o modifiche ai server.

●Riprogettazioni meccaniche:Alcuni componenti del server, come i connettori in fibra ottica, non funzionano correttamente in un ambiente di immersione e necessitano di modifiche meccaniche.

●Rischio di incendio:I fluidi utilizzati nel raffreddamento a immersione, spesso a base di idrocarburi, sono infiammabili e comportano rischi significativi in ​​caso di incendio nel data center.

●Difficoltà di manutenzione:Qualsiasi intervento di manutenzione richiede l'uso di gru per rimuovere i server dal serbatoio del liquido, seguito da un periodo di attesa di 30 minuti per consentire al fluido di drenare prima di poter iniziare le riparazioni.

●Problemi di contaminazione:Se il fluido di raffreddamento risulta contaminato (ad esempio, acqua), il serbatoio deve essere svuotato e pulito, il che potrebbe causare tempi di fermo macchina fino a un giorno.

2. Raffreddamento a immersione bifase

Simile all'immersione monofase, questo sistema immerge i server e le apparecchiature IT in un liquido isolante. Tuttavia, quando i componenti si riscaldano, il fluido inizia a bollire e a generare vapore. Questo vapore sale verso la parte superiore del serbatoio del liquido, dove è installata una rete di tubi dell'acqua di raffreddamento. Il vapore si condensa al contatto con i tubi di raffreddamento, trasformandosi di nuovo in liquido e gocciolando nuovamente nel serbatoio. Nel frattempo, l'acqua riscaldata nei tubi di raffreddamento trasporta il calore lontano dalle apparecchiature e fuori dal data center.

Vantaggi:

●Completo assorbimento del calore:Come l'immersione monofase, questo sistema assorbe completamente tutto il calore dai server (GPU, CPU, moduli di memoria, ecc.) per un raffreddamento efficiente.

●Supporta TDP elevati:Il raffreddamento a immersione bifase può gestire carichi termici molto più elevati rispetto ai sistemi monofase.

●Liquido isolante:Previene i cortocircuiti, garantendo il funzionamento sicuro dell'apparecchiatura.

Sfide:

●Compatibilità con liquidi isolanti:Similmente all'immersione monofase, tutti i componenti devono essere compatibili con il liquido isolante per evitare danni, il che richiede attrezzature specializzate o modifiche al server.

●Danni da cavitazione:Il processo di ebollizione nei sistemi bifase può causare cavitazione, che può danneggiare i componenti IT, i circuiti stampati e le giunzioni di saldatura.

●Investimenti infrastrutturali:Analogamente ai sistemi monofase, il raffreddamento a immersione bifase richiede ingenti investimenti in infrastrutture, tra cui grandi serbatoi e strutture edilizie rinforzate per sostenere il peso aggiuntivo.

●Sfide di manutenzione:A causa del peso dei serbatoi e dei dispositivi di immersione, gli interventi di manutenzione richiedono in genere l'uso di gru, con conseguenti tempi di fermo prolungati.

●Impatto ambientale:Ogni volta che il serbatoio del liquido viene aperto per manutenzione, vengono rilasciati nell'atmosfera vapori di sostanze perfluoroalchiliche (PFAS). Ciò comporta una perdita annuale di circa il 10% del fluido di raffreddamento (centinaia di litri), contribuendo a preoccupazioni ambientali.

Conclusione: il futuro del raffreddamento dei data center

La tecnologia di raffreddamento a immersione, con la sua capacità di gestire in modo efficiente carichi di calore estremamente elevati, sta rapidamente diventando una soluzione chiave per i moderni data center, in particolare quelli progettati per supportare AI, HPC e altre applicazioni intensive. Sebbene questi sistemi presentino chiari vantaggi in termini di gestione del calore ed efficienza energetica, i notevoli requisiti infrastrutturali, il potenziale impatto ambientale e le sfide di manutenzione dovrebbero essere attentamente considerati.

Con la continua crescita della domanda di elaborazione ad alte prestazioni, i sistemi di raffreddamento a immersione sono destinati a svolgere un ruolo fondamentale nel garantire che i data center possano crescere in modo efficace, gestendo al contempo i crescenti consumi energetici e le crescenti esigenze di dissipazione del calore.

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