بحث حول صناعة التبريد السائل للخوادم

 

تعد IDC صناعة نموذجية ذات استهلاك مرتفع للطاقة وتواجه قيودًا على سياسة استهلاك الطاقة. وقد أدخلت المناطق المتقدمة سياسات تقييد استهلاك الطاقة، ويركز استهلاك الطاقة في IDC بشكل أساسي على التبريد. يتجاوز استهلاك الطاقة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي خمسة أضعاف استهلاك الخوادم العادية، مما يتطلب تبريدًا سائلًا أكثر كفاءة لتحقيق التبريد وتقليل مستويات PUE.

 

بفضل شركة Nvidia والمشغلين المحليين، سيتجاوز معدل انتشار التبريد السائل (اللوحة الباردة) في الخوادم 10% في عام 2024، مما سيدخل مرحلة نمو سريعة. ومن المتوقع أن يصل معدل انتشار التبريد السائل المحلي إلى 30% بحلول عام 2028، مع حجم سوق يتجاوز 20 مليار يوان صيني.

 

المكونات الأكثر قيمة في نظام التبريد السائل هي ألواح وأنابيب التبريد السائل. ومن المتوقع أن يبلغ حجم السوق المحلية حوالي 10 مليارات يوان بحلول عام 2028. ونظرًا لأن الحواجز الفنية للمنتج ليست عالية، فإن الشركات التي تدخل السوق مبكرًا وتقيم شراكات مع مصنعي الرقائق الأساسية والخوادم ستتمتع بمزايا كبيرة.

 

وستحظى الشركات في سلسلة التوريد الخاصة بشركتي إنفيديا وهواوي بفرص استثمارية أفضل، مع التركيز بشكل خاص على شركة إينوفانس تكنولوجي، وغاولان المحدودة، وجينغيان تكنولوجي، وسيكوان نيو ماتيريالز.

 

 

تتطلب خوادم الذكاء الاصطناعي/مراكز البيانات المتكاملة أنظمة تبريد سائلة

 

1) استهلاك الطاقة العالي لخوادم الذكاء الاصطناعي يتطلب التبريد السائل

يستهلك خادم وحدة المعالجة المركزية القياسي بأبعاد 4U (737 مم × 437 مم × 178 مم) عادةً حوالي 800 وات من الطاقة، مع ناتج حراري يبلغ حوالي 200 وات، وهو ما يعادل 50 وات/وحدة من الناتج الحراري لكل وحدة مساحة. وعلى النقيض من ذلك، فإن خادم الذكاء الاصطناعي المزود بـ 8 شرائح وحدة معالجة رسومية بنفس الحجم يبلغ إجمالي استهلاكه للطاقة حوالي 5 كيلو وات وناتج حراري يبلغ حوالي 1000 وات، وهو ما يعادل 250 وات/وحدة من الناتج الحراري لكل وحدة مساحة، وهو ما يقرب من أربعة أضعاف الخادم العادي. يبلغ الحد الأقصى لتبديد الطاقة لخادم 4U النموذجي المبرد بالهواء 600 وات، وهو أقل بكثير من متطلبات تبديد الحرارة البالغة 1000 وات لخادم الذكاء الاصطناعي، مما يجعل التبريد السائل ضروريًا.

 

▲ احتياجات تبديد الحرارة لخادم الذكاء الاصطناعي أعلى بنحو 5 مرات من الخوادم العادية

 

2) يجب على مراكز بيانات خوادم الذكاء الاصطناعي استخدام أنظمة التبريد السائل

للحفاظ على درجة حرارة غرفة الخادم بين 20-25 درجة، يمكن لخادم IDC عام يستخدم التبريد الهوائي تحقيق الحد الأدنى من كفاءة استخدام الطاقة (PUE) بمقدار 1.3، وهو ما يفي بالكاد بمتطلبات السياسة. ومع ذلك، لا يمكن لخادم IDC ذكي يستخدم التبريد الهوائي تحقيق كفاءة استخدام الطاقة (PUE) بمقدار 1.6. لذلك، فقط باستخدام نظام تبريد سائل يمكن الحفاظ على كفاءة استخدام الطاقة (PUE) لغرفة الخادم أقل من 1.3 المطلوبة.

 

▲ مقارنة بين حلول التبريد المختلفة

 

وفقًا لأحدث معلومات سلسلة الصناعة، ستعتمد Nvidia التبريد السائل بالكامل بدءًا من B100 وستطلق حل تبريد سائل مخصصًا بالكامل في عام 2024، مما يسرع بشكل كبير من تطوير الخوادم المبردة بالسائل.

 

 

II - ألواح التبريد السائل/أنابيب التبريد السائل

 

1) تحسين الإدارة الحرارية باستخدام لوحات التبريد السائلة

تنقل ألواح التبريد السائل الحرارة من المكونات المولدة للحرارة بشكل غير مباشر إلى سائل التبريد المتداول داخل نظام الحلقة المغلقة عبر اللوحة الباردة، والتي عادة ما تكون مصنوعة من معادن موصلة للحرارة مثل النحاس أو الألومنيوم. ثم يحمل سائل التبريد الحرارة بعيدًا. هناك أربعة متطلبات فنية رئيسية لجودة ألواح التبريد السائل: أولاً، قدرة تبريد عالية؛ ثانيًا، موثوقية عالية لضمان إحكام غلق اللوحة الباردة؛ ثالثًا، تصميم دقيق لتبديد الحرارة لتجنب الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة داخل النظام؛ ورابعًا، التحكم الصارم في وزن اللوحة الباردة لمنع نظام التبريد من تقليل كثافة الطاقة للنظام الإجمالي بشكل كبير.

 

يتم تصنيع ألواح التبريد السائل باستخدام عمليات التصنيع، مما يسمح بتصميم أبعاد القناة الداخلية والمسارات بحرية. وهذا يجعلها مناسبة لمنتجات الإدارة الحرارية ذات الكثافة العالية للطاقة، وتخطيطات مصادر الحرارة غير المنتظمة، والقيود المكانية. يتم تطبيقها بشكل أساسي في تصميم منتجات التبريد لمحولات طاقة الرياح، والعاكسات الكهروضوئية، وIGBTs، ووحدات التحكم في المحركات، والليزر، وإمدادات الطاقة لتخزين الطاقة، وخوادم الحوسبة الفائقة، وغيرها من المجالات، ولكنها أقل استخدامًا في أنظمة بطاريات الطاقة.

2) التبريد السائل باللوحة الباردة هو الحل السائد

 

 

▲ حلول التبريد بالصفائح الباردة والسوائل المغمورة

 

هناك حلان رئيسيان للتبريد السائل: اللوحة الباردة والغمر. يستخدم حل اللوحة الباردة لوحة تبريد سائلة مجوفة متصلة بأسطح وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات. يتم نقل الحرارة بعيدًا عن طريق سائل التبريد المتدفق بالداخل، مما يقلل من PUE لـ IDC إلى 1.2. يغمر حل الغمر الخادم بالكامل مباشرة في سائل تبريد معزول خاص، مما يزيل الحرارة من خلال دوران السائل. يمكن لهذه الطريقة تحقيق PUE أقل من 1.1 وتستخدم بشكل أساسي لأجهزة الكمبيوتر العملاقة ذات كثافة الطاقة العالية للغاية. ومن المتوقع أن يصبح تبريد السائل باللوحة الباردة حل التبريد السائل السائد في المستقبل، حيث يمثل أكثر من 90٪ من استخدام نظام التبريد السائل.

 

3) ألواح التبريد السائل وأنابيب التبريد السائل

 

 

▲ مخطط لنظام التبريد السائل باللوحة الباردة

 

يتكون نظام التبريد السائل باللوحة الباردة من ثلاثة أجزاء رئيسية: نظام التوصيل الحراري الداخلي لهيكل الخادم (ألواح وأنابيب التبريد السائل)، ونظام الدورة الخارجية للهيكل (المضخات والصمامات والأنابيب)، ونظام التبادل الحراري الخارجي لغرفة الخادم (أبراج التبريد، إلخ). ومن بين هذه الأجزاء، يعتبر نظام التبادل الحراري وأبراج التبريد من المعدات الكهروميكانيكية الشائعة ولها قيمة منخفضة. لذلك، تتركز قيمة نظام التبريد السائل بشكل أساسي على ألواح وأنابيب التبريد السائل داخل الهيكل.