هل يعتبر التبريد السائل هو الحل الأمثل لتبريد خوادم الذكاء الاصطناعي؟

 

إن تبريد الهواء التقليدي أصبح مثقلاً بالأعباء؛ وظهرت تقنية التبريد السائل

 

الركائز الثلاث للذكاء الاصطناعي هي الرقائق وقوة الحوسبة والخوارزميات. الرقائق وقوة الحوسبة هي محركات الإنتاجية، وللوصول إلى قوة حوسبة غير عادية، يسعى الناس باستمرار إلى معالجات أسرع وأجهزة أكثر كفاءة. ومع زيادة قوة الحوسبة للذكاء الاصطناعي وتحسن أداء وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات، يرتفع استهلاك طاقة الرقائق وتوليد الحرارة وفقًا لذلك. على سبيل المثال، تتمتع شرائح وحدة معالجة الرسومات من سلسلة H200 من NVIDIA بقوة تصميم حرارية تصل إلى 700 وات.

 

إن التبريد الهوائي التقليدي له حدوده. فمبدأ التبريد الهوائي هو السماح للهواء بالتدفق فوق سطح المبددات الحرارية لتبديد الحرارة. وفي الوقت الحالي، تستطيع أفضل مبردات الهواء في السوق التعامل مع ما يصل إلى 275 وات من الطاقة. ولم يعد التبريد الهوائي التقليدي قادرًا على تلبية متطلبات التبريد لخوادم الذكاء الاصطناعي السائدة.

 

ظهرت تقنية التبريد السائل. ويتلخص مبدأ التبريد السائل في توزيع سائل تبريد داخل الخادم، وامتصاص الحرارة من المكونات المولدة للحرارة من خلال التبادل الحراري. يوفر التبريد السائل كفاءة تبريد أعلى ويسمح بالتحكم الدقيق في سائل التبريد للتكيف مع بيئات العمل المختلفة، على الرغم من أنه يأتي بتكاليف أعلى.

 

اكتسب التبريد السائل اعترافًا رسميًا. في يونيو 2023، أصدرت شركات الاتصالات الثلاث الكبرى في الصين "الورقة البيضاء حول تكنولوجيا التبريد السائل لمشغلي الاتصالات (2023)" بشكل مشترك، والتي تروج بوضوح لمسارين تقنيين: التبريد السائل باللوحة الباردة والتبريد السائل بالغمر أحادي الطور. كما حددوا خطة ترويجية لـ 2023-2025:

 

▲ خطة ترويجية لـ 2023-2025

 

 

II ما هو التبريد السائل؟

 

التبريد السائل هو طريقة تبريد تستخدم السائل كمبرد لنقل الحرارة المتولدة من المكونات الداخلية لمعدات تكنولوجيا المعلومات في مراكز البيانات إلى الخارج، مما يضمن تشغيل الأجزاء المولدة للحرارة لمعدات تكنولوجيا المعلومات ضمن نطاق درجة حرارة آمن. تنقسم حلول التبريد السائل السائدة بشكل أساسي إلى أنواع اللوحة الباردة والغمر. يمكن تقسيم التبريد السائل بالغمر إلى تبريد غمر متغير الطور وغير متغير الطور، اعتمادًا على ما إذا كان المبرد يخضع لتغيير الطور.

 

▲ تقنية التبريد السائل

 

تعمل تقنية التبريد السائل باستخدام اللوحة الباردة باستخدام مشتت حراري مصنوع من معادن مثل النحاس أو الألومنيوم، والتي تتمتع بموصلية حرارية جيدة. تنتقل الحرارة الناتجة عن المكونات إلى سائل التبريد داخل المشتت الحراري، والذي يحمل الحرارة بعيدًا.

 

التبريد بالغمر السائل هو طريقة تبريد سائل بالتلامس المباشر حيث يتم غمر معدات تكنولوجيا المعلومات، مثل الخوادم (بما في ذلك وحدات المعالجة المركزية والذاكرة والمدخلات والمخرجات وما إلى ذلك)، بالكامل في سائل التبريد. يحدث التبريد من خلال دوران السائل. تعمل تقنية التبريد بالغمر بتغير الطور، والتي تتطور بسرعة، عن طريق تبريد المكونات المولدة للحرارة، مما يتسبب في تبخر سائل التبريد، ثم تكثيف البخار مرة أخرى في شكل سائل لإعادة الاستخدام. توفر هذه الطريقة كفاءة تبريد أعلى وضوضاء أقل.

 

 

III هل يجب استبدال جميع حلول تبريد الخوادم بالتبريد السائل؟

 

من الواضح أن الإجابة لا. تتضمن طرق تبريد مراكز البيانات كلًا من التبريد بالهواء القسري والتبريد بالسائل. وفي حين أن تقنية التبريد بالهواء ناضجة نسبيًا، فإن التبريد بالسائل يعد متطلبًا جديدًا مدفوعًا باحتياجات التبريد المتزايدة لمراكز البيانات في السنوات الأخيرة.

 

في الوقت الحالي، تحتوي مراكز البيانات بشكل أساسي على ثلاثة حلول تبريد:

1. تصميم مراكز بيانات جديدة تعتمد فقط على التبريد السائل، وإنشاء مراكز بيانات أصغر حجماً وأكثر كفاءة ومزودة بقوة حوسبة هائلة.

2. تصميم مراكز البيانات التي تستخدم التبريد الهوائي في المقام الأول ولكنها تتضمن خيارات التبريد السائل لتبسيط التحولات المستقبلية.

3. مشغلو مراكز البيانات الذين يقومون بدمج التبريد السائل في المرافق المبردة بالهواء الموجودة، وغالبًا ما يقومون بتحويل أنظمة التبريد الهوائي جزئيًا إلى تبريد سائل.

 

▲ طرق التبريد الموصى بها لأنواع مختلفة من مراكز البيانات

 

 

 

IV ما هي التحديات التي يواجهها التبريد السائل؟

 

1. قضايا التكلفة

تتضمن تكلفة أنظمة التبريد السائل تكاليف المواد المرتفعة (المبرد، ومبددات الحرارة، والأنابيب، وما إلى ذلك)، فضلاً عن تعقيد التصميم والتصنيع، وتكاليف التركيب والصيانة المرتفعة، والحاجة إلى استثمارات أعلى لتحقيق موثوقية عالية.

 

2. قضايا الموثوقية

 

استقرار:قد تكون الاستقرار الكيميائي للسائل المبرد غير كافٍ، مما يؤدي إلى التحلل أو الأكسدة أو إنتاج مواد ضارة أثناء الاستخدام، مما يؤثر على تأثير التبريد واستقرار النظام.

 

تسرب:في حالة تسرب السوائل، أو انسداد خطوط الأنابيب، أو وقوع حوادث أخرى، قد تفشل أنظمة التبريد السائل غير المباشرة الموجودة في اكتشاف الأعطال في الوقت المناسب، مما يعرض سلامة الخادم للخطر.

 

التوافق:قد لا تكون بعض معدات مركز البيانات مناسبة لأنظمة التبريد السائل، مما يتطلب التكيف والتعديل الإضافي.

 

 

V ما هي الصناعات العليا والسفلى في التبريد السائل؟

 

يشمل نظام صناعة التبريد السائل موردي المكونات الأولية، وموفري الخوادم المبردة بالسائل في المنتصف، ومستخدمي طاقة الحوسبة النهائية، مع التركيز على أنظمة التبريد باللوحة الباردة والغمر بالسائل.

 

▲ مبدأ نظام التبريد السائل باللوحة الباردة

 

▲ مبدأ نظام التبريد السائل بالغمر

 

 

1. المنبع

 

▲ أعلى نظام تبريد السائل باللوحة الباردة
 

يتكون نظام التبريد السائل باللوحة الباردة بشكل أساسي من وحدة التبريد المركزية ومصدر التبريد والمبرد وخطوط أنابيب التبريد السائل وخزانة التبريد السائل. يتكون نظام التبريد السائل بالغمر بشكل أساسي من وحدة التبريد المركزية ومصدر التبريد وخطوط أنابيب التبريد السائل وغرفة الغمر ومعدات تكنولوجيا المعلومات والمبرد.

 

وحدة توزيع التبريد (CDU)

تُستخدم وحدة التبريد المركزية لتبادل الحرارة بين سائل التبريد عالي الحرارة على الجانب الثانوي ومصدر التبريد على الجانب الأساسي، مما يوفر توزيع التبريد لمعدات تكنولوجيا المعلومات المبردة بالسائل وإدارة درجة الحرارة والضغط ومراقبة التدفق. ولديها وظائف مثل تبادل الحرارة، وقيادة الدورة الدموية، وتنقية سائل التبريد، وتخزين السوائل. تتكون وحدة التبريد المركزية بشكل أساسي من مبادل حراري/مكثف، ومضخة دورة، ومرشح، وخزان تخزين سائل، وملحقات (صمامات، وخطوط أنابيب، وموصلات، وأجهزة استشعار، وما إلى ذلك).

 

مصدر بارد

يمكن اختيار مصدر التبريد الخارجي لنظام التبريد السائل بناءً على الظروف من المبردات الجافة أو أبراج التبريد المغلقة أو المبردات.

 

خطوط أنابيب التبريد السائل

تعتبر خطوط الأنابيب من المكونات الضرورية التي تربط بين لوحة التبريد لتبادل الحرارة ووحدة توزيع التبريد ووحدة تبادل الحرارة ومصدر التبريد الخارجي. بشكل عام، يمكن تقسيم خطوط الأنابيب الدائرية إلى أنواع اتصال مباشر (غير متزامن) واتصالات حلقية (متزامنة) بناءً على طرق الاتصال المختلفة.

 

سائل التبريد

تشتمل سوائل التبريد الشائعة لأنظمة اللوحة الباردة على الماء، والإيثيلين جليكول، والبروبيلين جليكول، وما إلى ذلك. تتمتع هذه السوائل المبردة بسعة حرارية نوعية عالية ولزوجة منخفضة، مما يسمح لها بامتصاص الحرارة الناتجة عن المعدات بسرعة ونقلها إلى المبادل الحراري لتبديدها.

 

تشمل سوائل التبريد بالغمر (العزل) الشائعة الزيوت المعدنية ومركبات الفلوروكربون وما إلى ذلك. ومن بينها، يمكن للتبريد بتغير الطور استخدام مركبات الفلوروكربون غير القابلة للاشتعال فقط. يعد التوافق بين وسيط التبريد ومواد المكونات المختلفة أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء نظام التبريد السائل بتغير الطور بالغمر.

 

في الوقت الحالي، هناك أنواع قليلة من السوائل المفلورة المتاحة للتبريد بالغمر، والمورد الرئيسي هو شركة 3M. لا يزال التبريد بالغمر في الصين في مراحله الأولى.

 

غرفة مغلقة

تُستخدم الغرفة لاحتواء سائل التبريد المتغير الطور. يجب إحكام غلق الغرفة عند اللوحة الباردة والأنابيب والموصلات والأجزاء الأخرى لضمان السلامة دون تسرب، وبالتالي ضمان سلامة نقل الطاقة والإشارة وسلامة مركز البيانات. لذلك، هناك حاجة إلى مكونات إحكام غلق مخصصة، مثل حشوات المطاط وموصلات مخرج السائل وموصلات الطاقة وموصلات الإشارة وما إلى ذلك.

 

خزانة التبريد السائل

تتكون خزانة التبريد السائل بشكل أساسي من لوحة تبريد سائل، ومشعب، وأنابيب، وموصلات، وموصلات سريعة، وموزع سائل، وضاغط اختياري.

 

تعمل لوحة التبريد السائلة كوحدة نقل حرارة، تعادل المبخر في نظام التبريد، وهي تقنية رئيسية مصممة لنظام التبريد. وتتكون عمومًا من لوحة غطاء وزعانف ولوحة قاعدة ومانع تسرب.

المشعب هو جهاز يربط وحدة توزيع التبريد باللوحة الباردة لخادم التبريد السائل. وعادة ما يتم دمجه في الخزانة، حيث يقوم بتوزيع تدفق سائل التبريد بالتساوي على كل طبقة من اللوحات الباردة ويجمع سائل التبريد بعد امتصاصه للحرارة، وإرساله عبر أنابيب التوصيل إلى وحدة توزيع التبريد.

 

يتألف الموصل السريع من جسم رئيسي وطرف طرفي. الجسم الرئيسي هو الوحدة الأساسية لتحقيق وظائف التوصيل والختم للموصل السريع للسائل، بينما يعمل الطرف الطرفي كمنفذ تثبيت لتركيب وتأمين الموصل السريع للسائل.

 

نظام التحكم

يقوم نظام التحكم بمراقبة وتنظيم تشغيل نظام التبريد، بما في ذلك أجهزة استشعار درجة الحرارة والضغط، التي تقيس تبديد الحرارة وتضبط سرعة المضخة أو معدل تدفق سائل التبريد.

 

أجهزة الترشيح والتنقية

تُستخدم المرشحات لإزالة الحطام والجسيمات من سائل التبريد، مما يضمن أداء النظام وطول عمره. يمكن لطرق مثل التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية أو المعالجة الكيميائية تنقية سائل التبريد.

 

2. منتصف الطريق

يتألف الجزء الأوسط في المقام الأول من أنظمة التبريد بالسوائل، حيث يتم دمج المكونات الرئيسية مثل المبردات والمضخات والأنابيب والسوائل المبردة في نظام واحد. وتتطلب هذه الشركات مستوى معينًا من الخبرة الفنية والقدرة الإنتاجية لضمان جودة المنتج والأداء.

 

3. المصب

تشمل قائمة مستخدمي طاقة الحوسبة في المصب مراكز البيانات وأجهزة الكمبيوتر العملاقة وخوادم الذكاء الاصطناعي والأجهزة الإلكترونية ومركبات الطاقة الجديدة وأجهزة الليزر والمحولات وغيرها من المعدات الصناعية. تُستخدم تقنية التبريد السائل حتى في مجال الطيران والفضاء. نظرًا لخصائص التبريد عالية الكفاءة، يتم تطبيق مراكز البيانات المبردة بالسائل والبنية الأساسية الخاصة بها بشكل أساسي في مجالات الحوسبة عالية الأداء. حاليًا، تشمل الصناعات التي تستخدم تقنية التبريد السائل الإنترنت والتمويل والاتصالات والطاقة والأحياء والرعاية الصحية.

 

ومن بين هذه العوامل، يعد الإنترنت العميل الأساسي لمراكز البيانات المبردة بالسائل، مع الطلب الكبير على البيانات وقاعدة واسعة من المستخدمين وحجم أعمال كبير. ومتطلبات الطاقة الحاسوبية لمراكز البيانات عالية، حيث تتجاوز كثافة الطاقة في الخزانة الواحدة 10 كيلو وات.

 

 

6- في أي مرحلة وصلت صناعة التبريد السائل؟

 

حاليًا، تم الانتهاء من معظم عمليات التحقق المختلفة لمراكز البيانات المبردة بالسائل، وستشهد السنوات الثلاث القادمة توسعًا في تقنية التبريد السائل على نطاق واسع. على الصعيد الفني، يظل تبريد اللوحة الباردة هو الحل السائد للتبريد السائل في السوق؛ وعلى صعيد التنمية الصناعية، أصبح نموذج التسليم الكامل، من البنية التحتية إلى معدات الذكاء الاصطناعي، إجماعًا في الصناعة؛ وعلى صعيد العملاء، أظهر قطاعا الإنترنت والاتصالات، أكبر عميلين لتطبيقات صناعة مراكز البيانات، اعترافًا إيجابيًا بتقنية التبريد السائل.

 

وبحسب التقرير نصف السنوي لعام 2023 الذي كشفت عنه شركات الصناعة ذات الصلة، فقد جمعت مراكز البيانات المبردة بالسائل لديها أكثر من 260 ميجاوات من السعة، بما في ذلك العديد من الصناعات مثل التكنولوجيا والطاقة والحكومة والمالية والإنترنت.

 

 

VII ما هو حجم سوق التبريد السائل بالذكاء الاصطناعي؟

 

وفقًا لبيانات من Caitong Securities، سينمو حجم سوق مراكز البيانات المبردة بالسائل في الصين من 6.999 مليار يوان في عام 2022 إلى أكثر من 35.877 مليار يوان في عام 2025، مع زيادة حجم سوق تبريد سائل مراكز البيانات بالذكاء الاصطناعي من 5.552 مليار يوان في عام 2022 إلى 27.964 مليار يوان في عام 2025، وهو ما يمثل معدل نمو سنوي مركب بنسبة 76.2٪. بناءً على تصنيف المنتج، من المتوقع أن تستحوذ منتجات التبريد السائل بالغمر، بكفاءتها العالية في التبريد والقدرة على تقليل فعالية استخدام الطاقة (PUE) لمراكز البيانات، على حصة سوقية أكبر، حيث تنمو من 18٪ في عام 2019 (حيث تمثل منتجات التبريد السائل باللوحة الباردة 82٪) إلى 41٪ في عام 2025.

 

مع تزايد متطلبات السوق للتبريد وكفاءة الطاقة في البنية التحتية لمراكز البيانات، تتوقع الصناعة أن يصل معدل انتشار منتجات التبريد السائل إلى 20% بحلول عام 2025، مع توسع حصة السوق بشكل مستمر. يقترب ربيع التطبيقات واسعة النطاق لخوادم التبريد السائل بالذكاء الاصطناعي بهدوء!

 

 

VIII ما هي شركات التبريد السائل المعروفة؟

 

تشمل الجهات الفاعلة الرئيسية في سوق تبريد السوائل الباردة في الخارج شركات IBM و CoolIT Systems و Asetek و Motivair، في حين أن الجهات الفاعلة الرئيسية في سوق تبريد السوائل المغمورة هي GRC و LiquidStack و Midas.