Különjelentés a folyadékhűtésről az adatközpont-iparban

 

--A szingularitás megérkezett az AI-hullám közepette, a hazai és nemzetközi vezetők kitörnek

 

I Növekvő forgács energiafogyasztás: A folyadékhűtés elengedhetetlenné válik

 

1. A folyadékhűtés biztosítja a nagy teljesítményű alkatrészek normál működését

Az elektronikai alkatrészek meghibásodásának több mint fele a túl magas hőmérséklet következménye, a meghibásodások 55%-át a hőmérséklet teszi ki. A "10-fokos szabály" szerint minden 10 fokos hőmérséklet-emelkedés szobahőmérséklethez képest megduplázza a hibaarányt és csökkenti az élettartamot. A GPU meghibásodási aránya nő, ami befolyásolja a szerver élettartamát. Az egyes chipek energiafogyasztása gyorsan növekszik, ami nagyobb hőtermeléshez vezet. A főbb processzorlapkák, például a CPU-k névleges teljesítménye körülbelül 200 W, a legújabb CPU-k pedig 350 W-ot, a GPU-k pedig 1000 W-ot. A léghűtés már nem elegendő a nagy hősűrűségű elektronikai alkatrészek hűtésére, míg a folyadékhűtés sokkal nagyobb hőcsere-hatékonyságot kínál. A folyadékok térfogati hőkapacitása 1000-3500-szer nagyobb, mint a levegőé, és hővezető képességük 20-30-szer nagyobb, így a folyadékhűtés sokkal jobb hűtési képességet biztosít ugyanabban a térben.

 

A folyadékhűtés hatékonyan nyeli el az alkatrészek által termelt hőt, pontos hűtést biztosítva a hőt termelő elemeknek, és 65 fok alatt tartja a CPU maghőmérsékletét (körülbelül 25 fokkal alacsonyabban, mint a léghűtésnél). Megakadályozza továbbá a jelentős hőmérséklet-ingadozásokat a hirtelen, nagyfrekvenciás műveletek során, biztosítva a rendszer biztonságát és megbízhatóságát. A folyadékhűtés még a chipek túlhajtását is lehetővé teszi, ami körülbelül 10%-kal-30%-kal javítja a chip teljesítményét.

 

▲ Elektronikus alkatrészek meghibásodása

 

2. A hazai és nemzetközi chiphűtési technológiák fokozatosan áttérnek a folyadékhűtésre

A folyadékhűtés maximalizálja a forgácspotenciált. Például az azonos teljesítményű szervereken a folyadékhűtéses verzió körülbelül 10%-kal jobb teljesítményt nyújt a léghűtésesnél. A GB200 új, hatékony folyadékhűtéses szekrényarchitektúrát alkalmaz, és az NVIDIA jövőbeni termékei teljes mértékben áttérhetnek a léghűtésről a folyadékhűtésre. Az NVIDIA mellett a hazai chipek, például a Huawei Ascend esetében is jelentősen megnőtt a folyadékhűtés használata.

 

Az NVIDIA GB200 NVL72 egy többcsomópontos, folyadékhűtéses, rack szintű bővítőrendszer, amely 36 Grace Blackwell szuperchipet egyesít, köztük 72 Blackwell GPU-t és 36 Grace CPU-t, amelyek az ötödik generációs NVLink-en keresztül csatlakoznak. A GB200 NVL72-ben alkalmazott folyadékhűtési technológia nemcsak a számítási sűrűséget javítja és csökkenti a lábnyomot, hanem jelentősen csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást és az energiafogyasztást is a nagy sávszélességű, alacsony késleltetésű GPU-kommunikáció révén. A hagyományos léghűtéses NVIDIA H100 infrastruktúrákhoz képest a GB200 25-szörös teljesítményt nyújt azonos energiafogyasztás mellett, miközben csökkenti a vízfelhasználást. A TrendForce szerint a kezdeti GB200 NVL36 architektúra levegő- és folyadékhűtési megoldásokat is tartalmazhat, de a magasabb hűtési követelmények miatt az NVL72 előnyben részesíti a folyadékhűtést. A GB200 szekrényrendszer folyadékhűtési ellátási lánca öt fő részre oszlik: hűtőlemezek, hűtőfolyadék-elosztó egységek (CDU), elosztók, gyorsleválasztók (QD) és hátsó ajtó hőcserélők (RDHx). A CDU, egy kulcsfontosságú rendszer, szabályozza a hűtőfolyadék áramlását az egész rendszerben, hogy biztosítsa a szekrény hőmérsékletének szabályozását az előre beállított TDP tartományon belül. Az NVIDIA AI-megoldások esetében a Vertiv a fő CDU-szállító, míg a Chicony, az Auras, a Delta és a CoolIT folytatja tesztelési és érvényesítési erőfeszítéseit.

 

▲ Folyadékhűtés

 

3. A gyártók versenyeznek a folyadékhűtéses szerverekben; A szállítmányok mennyisége gyorsan nő

Az IDC szerint Kína folyadékhűtési ipara még a kezdeti szakaszában jár, de az ország már lezárta a technológiai lemaradást a külföldi társaival szemben. Valójában Kína releváns ipari lánca élen jár a nagyszabású kereskedelmi alkalmazásokban. 2023-ban Kína folyadékhűtéses szerverpiaca elérte az 1,42 milliárd dollárt, ami 48%-os növekedést jelent az előző év azonos időszakához képest, a kiszállítások pedig elérték a 161,000 egységet, ami 57,3%-os növekedést jelent. Az IDC előrejelzése szerint 2023 és 2028 között a kínai folyadékhűtéses szerverek piacán 45,8%-os összetett éves növekedési ráta (CAGR) lesz, a piac pedig 2028-ra várhatóan eléri a 10,2 milliárd dollárt.

A főbb szervergyártók agresszíven terjeszkednek a folyadékhűtés piacán. A piaci részesedést tekintve az Inspur, a HyperFusion és a NingChang volt a három legnagyobb szállító 2023-ban, együttesen a piac több mint 70%-át birtokolva.

 

Bár a piac viszonylag koncentrált, a gyors növekedés és a diverzifikált iparági kereslet fokozatosan csökkenti a főbb szállítók közötti piaci részesedési különbségeket. Az Inspur továbbra is folytatja "All in Liquid Cooling" stratégiáját, amelynek célja a levegő és a folyadékhűtés közötti árparitás elérése. Folyadékhűtéses szerverei olyan iparágak ügyfeleit szolgálják ki, mint az internet, a pénzügy, a szolgáltatások, a gyártás és a közművek. A vállalat sikeresen telepített folyadékhűtéses szervereket a vezető internetes cégeknél, valamint a pénzügyi, oktatási és kutatási szektorban, új, globális benchmarkot hozva létre az első ventilátor nélküli, teljes hideglemezes szerverrel.

 

▲ A folyadékhűtéses szervergyártók piaci részesedése

 

Az IDC szerint 2023-ban továbbra is az internetes iparág maradt a folyadékhűtéses szerverek legnagyobb vásárlója Kínában, a piac 46,3%-át képviselve, továbbra is erős keresletre számítva. Emellett a távközlési szolgáltatók és a kormányzathoz kapcsolódó felhasználók is gyorsan növekszik a folyadékhűtéses adatközpontok iránti kereslet. Más iparágak, például a pénzügyek, a szolgáltatások, a gyártás és a közművek aktívan keresik a megfelelő folyadékhűtési megoldásokat.

 

 

A II. folyadékhűtés növeli a hőmérséklet-szabályozás értékét, az ipar fordulópontja látható

 

1. A folyadékhűtés penetrációja nő a szerverteljesítmény és a szénsemlegességi célok növekedésével

Az adatközpontok jelentős villamosenergia-fogyasztók, és a nemzeti villamosenergia-felhasználás körülbelül 2%-3%-át teszik ki. Az adatközpontok energiafogyasztására vonatkozó irányelvek egyre szigorúbbak. 2021-ben a kínai adatközpontok villamosenergia-fogyasztása elérte a 216,6 milliárd kWh-t, ami a teljes nemzeti villamosenergia-fogyasztás 2,6%-át teszi ki, a szén-dioxid-kibocsátás pedig 135 millió tonna, vagyis a teljes nemzeti kibocsátás 1,14%-a. A kettős szén-dioxid-kibocsátási céllal az adatközpontok soha nem látott energiafogyasztási és hűtési kihívásokkal néznek szembe. Az építés után az áramköltségek a hagyományos léghűtéses adatközpontok teljes üzemeltetési és karbantartási költségeinek 60%-át{11}}%-át teszik ki.

 

A PUE (Power Usage Effectiveness) az adatközpontok energiahatékonyságának értékelésére használt mutató, amely az adatközpont által felhasznált teljes energia és az IT-berendezések által fogyasztott energia aránya. 2013 előtt a nagy kínai adatközpontok átlagos PUE-értéke meghaladta az 1,7-et, de 2019 végére ez 1,46-ra csökkent. Az új adatközpontok fejlesztésére vonatkozó hároméves cselekvési terv (2021-2023) célja, hogy az új nagyméretű adatközpontok PUE-értékét 1,3 alá csökkentse 2023 végére, a cél pedig 1,25 alatt legyen a hideg és a súlyos állapotok esetén. hideg régiók. Az „Eastern Data, Western Computing” irányelv előírja, hogy Belső-Mongólia, Gansu, Ningxia és Guizhou csomópontjai a PUE-t 1,2 alá csökkentsék.

 

Az adatközpontokban található légkondicionáló rendszerek energiafogyasztása kulcsfontosságú a PUE ésszerű szintre való csökkentésében. Becslések szerint, ha a légkondicionáló rendszer energiafogyasztása a teljes energiafogyasztás 38%-át, 26%-át és 17,5%-át teszi ki, a megfelelő PUE-értékek 1,92, 1,5 és 1,3.

 

Az intelligens számítástechnikai szerverek teljesítménysűrűsége jelentősen megnőtt, és elérte azt a szintet, amelyet a léghűtéses rendszerek nem tudnak támogatni. Korábban a léghűtéses rendszerek alkalmazkodtak a nagyobb hősűrűséghez úgy, hogy a hűtőforrást közelebb hozták a hőforráshoz, vagy lezárták a hideg és meleg folyosókat, ami a 12 kW alatti hűtést igénylő szekrényeknél működött. Mivel azonban az állványsűrűség meghaladja a 20 kW-ot, ezek a módszerek kevésbé hatékonyak. A Vertiv úgy véli, hogy az ultranagy sűrűségű (30 kW vagy több) állványokkal rendelkező létesítmények telepítése nem hagy más választást, mint a folyadékhűtés alkalmazása. Függetlenül attól, hogy a rendszer hogyan van konfigurálva vagy optimalizálva, a léghűtés nem tudja biztosítani az informatikai rendszerek megbízhatóságának fenntartásához szükséges hűtési teljesítményt.

 

Ezért az adatközponti PUE csökkentése és a nagy teljesítményű szekrények hűtési igényeinek kielégítése érdekében a hűtési technológiák a következők szerint fejlődtek:

 

• 1. fázis (1998-2004):Főleg közvetlen tágulási léghűtéses rendszereket használnak, beleértve a kompresszorokat, elpárologtatókat, expanziós szelepeket és kondenzátorokat, a hűtőközeg általában freon.
• 2. fázis (2005-2009):Elsősorban vízhűtéses rendszerek, beleértve a hűtőket, hűtőtornyokat, vízszivattyúkat és a hűtött víz végberendezéseit.
• 3. fázis (2010-2023):Elpárolgásos hűtési technológia, amely száraz levegő felhasználásával hideg levegőt vagy vizet állít elő. Ez a technológia igény szerint hűtőlevegőt vagy vizet biztosít. Mivel nem igényel hagyományos kompresszorokat, kevesebb energiát fogyaszt, és egész évben hűtést igénylő adatközpontokban használják. A természetes hűtési források hasznosításának leghatékonyabb megoldása, a közvetett párolgásos hűtés 30%-kal csökkentheti a hűtési energiafogyasztást a hagyományos hűtöttvizes rendszerekhez képest.
• 4. fázis (2024-jelenleg):A folyadékhűtés technológia alapvetően javítja a fő berendezés hőelvezetését. Jobban megfelel a nagy sűrűségű állványok és forgácsok pontos hűtési igényeinek, és olyan előnyöket kínál, mint az alacsonyabb energiafogyasztás, nagyobb hőleadás, alacsonyabb zajszint és alacsonyabb teljes birtoklási költség (TCO). A folyékony hűtés azt jelenti, hogy folyadékot használnak hűtőközegként a hőcseréléshez a szerverben lévő hőt termelő komponensekkel, így elszállítják a hőt, hogy a szerver biztonságos hőmérsékleti tartományon belül működjön. Megnövelt számítási teljesítményt, energiahatékonyságot és telepítési sűrűséget igénylő forgatókönyvekhez alkalmas.

 

2. A hideglemezes folyadékhűtés nagyon érett és széles körben használatos

Attól függően, hogy a hűtőközeg hogyan érintkezik a szerverrel, a folyadékhűtés közvetett hűtésre és közvetlen hűtésre osztható. A közvetett hűtés elsősorban hideglemezes folyadékhűtést jelent, amely egyfázisú és kétfázisú hideglemezes hűtésre oszlik az alapján, hogy a hűtőközeg fázisváltozáson megy keresztül. A közvetlen hűtés magában foglalja a merülő- és permethűtést, ahol a folyadék közvetlenül érintkezik a chippel vagy a rack-szel, és egyfázisú és kétfázisú merülőhűtésre oszlik attól függően, hogy a hűtőközeg fázisváltozáson megy keresztül.

 

A hűtőlemezes folyadékhűtést jelenleg a legszélesebb körben használják az adatközponti iparban, és a folyadékhűtési iparban elsősorban a nagy sűrűségű számítástechnikai forgatókönyvekben alkalmazzák. A hideglemezes folyadékhűtés azt jelenti, hogy a hideglemezt közvetlenül a forgácsra szerelik fel hőcsere céljából, és egy szivattyúval hajtott folyadék kering a hő eltávolítására a hőcserélőn keresztül. A hideglemezes folyadékhűtés működési elve abból áll, hogy a hőforrás tetejére mikrocsatornás hűtőbordákat ágyaznak, ezeken a mikrocsatornákon átáramló folyadékon keresztül a hőt elvezetik, majd egy hőcserélőbe továbbítják, amely tovább vezeti a hőt a környezetbe.

 

A hideglemezes folyadékhűtés kiforrott technológiájával, költségelőnyeivel és működési stabilitásával jelenleg a fő megoldás a nagy teljesítményű számítástechnika és az AI számítástechnika adatközpontokban. A hideglemezes folyadékhűtés általában 1,2 vagy az alatti PUE-t eredményez, sőt bizonyos esetekben eléri az 1,05-öt is. A közvetlen folyadékhűtési technológiák, mint például a merülőhűtés, általában jobb teljesítményt nyújtanak, de a magasabb műszaki kockázatok és költségek miatt kevésbé használják őket. A hűtőlemezes folyadékhűtés számos előnnyel rendelkezik a többi folyadékhűtési technológiához képest, beleértve az egyszerű telepítést, az alacsony költséget, a méretezhetőséget, az egyszerű karbantartást és a rövid építési időt. A Meixin például azt javasolja, hogy a hideglemezes folyadékhűtés akár 30%-kal is csökkentheti a számítási teljesítmény energiafogyasztását.

 

A gyakorlatban a globális adatközponti folyadékhűtési rendszerek 75%-a hideglemezes folyadékhűtési technológiát használ, és a hideglemezes folyadékhűtés a kínai mesterséges intelligencia-számítási központok fő megoldásává is vált. A hideglemezes folyékony hűtés várhatóan tovább folytatja nagy növekedését. A kínai folyadékhűtéses szerverek összetett növekedési üteme a következő öt évben meg fogja haladni az 50%-ot, és a hideglemezes folyadékhűtési rendszerek uralják a piacot.

 

3. A folyadékhűtés hatékonyabb, és az üzemeltetők széles körben támogatják

Jelenleg a szekrények hősűrűségének gyors növekedése a mesterséges intelligencia számítástechnikai adatközpontjainak építése miatt megnövelte a folyadékhűtéses megoldások iránti keresletet. A folyadékhűtéses szerverek piaci részesedése tovább növekszik, miközben a hagyományos léghűtéses szerverek aránya rohamosan csökken.

 

▲ A folyékony hűtés éves bevétele a léghűtéshez képest

 

2022-ben a Kínai Információs és Kommunikációs Technológiai Akadémia által vezetett öt folyadékhűtési iparági szabványt hivatalosan is végrehajtottak. A három nagy távközlési szolgáltató azt tervezi, hogy 2024-ben az új adatközponti projektek 10%-ában kísérleti folyadékhűtési technológiát fog alkalmazni, 2025-ig pedig az adatközponti projektek több mint 50%-a folyadékhűtési technológiát alkalmaz. A China Telecom már tervezett és felépített egy intelligens számítástechnikai központ klasztert Shanghai, amely képes támogatni a nagyszabású modellképzést billió paraméterekkel. A hazai számítástechnikai képességekkel működő klaszter 10,000 kártyát fog tartalmazni egyetlen készletben, így ez lesz az első hazai gyártású nagyméretű, folyadékhűtéses számítástechnikai fürt, amely egyetlen 10,{{11} } kártyák.

 

Az üzemeltetők üteme a folyadékhűtés népszerűsítésében meghaladja a piaci várakozásokat, ami a költségoptimalizálást és a szabványok javítását fogja eredményezni. Az adatközponti szekrények versenyképességének növelése és a hőmérséklet-szabályozás energiafogyasztásának csökkentése érdekében a külső adatközpont-szállítók felgyorsíthatják a folyadékhűtés alkalmazását, ami a folyadékhűtéses adatközpontok szélesebb regionális elterjedéséhez vezet Kínában. Ahogy a folyadékhűtéses adatközponti technológia érik, és a telepítési költségek csökkennek, egyre több IDC (Internet Data Center) szolgáltató vizsgálja a folyadékhűtés alkalmazását. Keleten a folyadékhűtéses adatközpontokat már alkalmazó felhasználók megnövekedett keresletet tapasztalnak a szigorodó energiafogyasztási követelményeket kielégítő folyadékhűtési megoldások iránt, ami tovább bővíti a folyadékhűtéses adatközpontok fejlesztését a középső és nyugati régiókban.

 

4. Nagy sebességű növekedés a folyadékhűtés piacán

A folyadékhűtés iparági lánca magában foglalja a termékkomponensek beszállítóit, a középső folyadékhűtési szerver- és infrastruktúra-szolgáltatókat, valamint a számítási teljesítmény későbbi felhasználóit. Az upstream főleg a termékkomponensek és folyadékhűtő berendezések szállítóit foglalja magában, mint például hűtőlemezek, CDU-k (hűtőfolyadék-elosztó egységek), gyorsleválasztók, mágnesszelepek, merülő folyadékhűtő tartályok, elosztók és hűtőfolyadék-termékek. A középső részhez tartoznak a folyadékhűtéses szervergyártók, chipgyártók, valamint a folyadékhűtés integrációs létesítményei, moduljai és szekrényei. A downstream magában foglalja a távközlési szolgáltatókat, internetes cégeket és az olyan iparágakban működő ügyfeleket, mint a távközlés, az internet, a kormányzat, a pénzügy, a közlekedés és az energia.

 

Az ipari lánc felső szakaszában a hideglemezes folyadékhűtő rendszerek hőcseréje két részre oszlik: az elsődleges hőcserélő rendszerre és a szekunder hőcserélő rendszerre. A másodlagos rendszer hőforrásokból, például szerverekből szerzi be a hőt közvetlen/közvetett hőcserén keresztül, és továbbítja az elsődleges rendszernek. Az elsődleges hőcserélő rendszer kültéri hűtőberendezést használ a külső hő elvezetésére, befejezve a teljes hűtési folyamatot. A két rendszer hőt cserél a hűtőfolyadék elosztó egységen (CDU) keresztül.

 

Konkrét komponensek meghibásodása: A gyorscsatlakozó egy dugaszolható alkatrész, amely folyadéklezáró funkcióval rendelkezik mind a dugaszban, mind az aljzatban, lehetővé téve a folyadékhűtő rendszerek gyors plug-and-play karbantartását. Amikor a dugó és az aljzat csatlakoztatva van, a folyadék átfolyik, hogy folyadékot szállítson a hideglemezhez; lekapcsoláskor a folyadék leáll, megakadályozva a szivárgást a rendszeren kívül. Az elosztó egy olyan eszköz, amely összeköti a CDU-t a folyadékhűtéses szerverek hűtőlemezével, általában egy szekrénybe telepítve. Feladata, hogy a hűtőfolyadékot egyenletesen eloszlassa minden egyes hideglemezen, és összegyűjtse a felmelegedett hűtőfolyadékot, majd a csatlakoztatott csővezetékeken keresztül visszajuttassa a CDU-ba.

 

A hűtőfolyadék-elosztó egység (CDU) egy olyan modul, amely a másodlagos rendszerben lévő magas hőmérsékletű hűtőfolyadék és az elsődleges hűtőforrás közötti hőcserére szolgál. Biztosítja a hűtőfolyadék elosztását, és kezeli a hőmérséklet-, nyomás- és áramlásfigyelést a folyadékhűtéses informatikai berendezésekhez. A CDU főként hőcserélőkből/kondenzátorokból, keringető szivattyúkból, szűrőkből, hűtőfolyadék-tároló tartályokból és tartozékokból (szelepek, csővezetékek, csatlakozók, érzékelők stb.) áll, és olyan funkciókkal rendelkezik, mint a hőcsere, keringtetés, hűtőfolyadék tisztítás és tárolás.

 

2020 és 2022 között a folyadékhűtés technológia gyorsan fejlődött, és az alkalmazásmodellek validálása jelentős sikereket ért el, ami az egységenkénti teljesítményhűtési költségek csökkenéséhez vezetett. A CCID Consulting adatai szerint a hideglemezes megközelítés megőrizte a 90% feletti piaci részesedést, míg a merítés és a porlasztóhűtés együttesen 10% körüli részesedést jelent. A három módszer súlyozott átlaga után az 1 kW-os hűtési költség a folyadékhűtéses adatközpontokban körülbelül 6500 RMB volt 2022-ben, ami 2023-ra várhatóan 5,{11}} RMB/1 kW-ra csökken.

 

A közelmúltban a Supermicro vezérigazgatója, Charles Liang azt jósolta, hogy a következő 12 hónapon belül az új globális adatközpontok 15%-a használja majd a közvetlen folyadékhűtési technológiát, és ez az arány a következő évben eléri a 30%-ot, ami jelentős növekedés a mindössze 1%-hoz képest. az elmúlt 30 évben, ami újabb jelentős hokiütő növekedési görbét hozott létre. A hagyományos léghűtéshez képest a közvetlen folyadékhűtés gazdaságosabb és környezetbarátabb. Feltételezve, hogy a folyadékhűtés penetrációja az új kínai adatközpontokban 2026-ra eléri a 22%-ot, a folyadékhűtés piaca 11,1 milliárd RMB lesz.