Analyse der Flüssigkeitskühlungs- und Wärmeableitungstechnologie in KI-Rechenzentren
Generative KI und verschiedene große Modelle bescheren uns ein völlig neues Anwendungserlebnis und stellen zudem höhere Anforderungen an die Rechenleistung. Für Rechenzentrumsbetriebsleiter werden aufgrund der deutlich gestiegenen Leistungsdichte von GPU-Servern höhere Anforderungen an die Kühlausrüstung und -technik von Rechenzentren gestellt. Daher konzentrieren sie sich nicht nur auf die Rechenleistung selbst, sondern legen auch mehr Wert auf die verschiedenen Probleme, die sich aus dem Stromverbrauch und der Kühlung von Rechenzentren ergeben.
Aufgrund der starken Nachfrage nach KI-Rechenleistung ist die Anzahl der GPU-Server in Rechenzentren deutlich gestiegen, was zu immer deutlicher werdenden Problemen mit dem Stromverbrauch führt. Wir wissen, dass die maximale Gesamtleistung luftgekühlter Einzelschränke in Rechenzentren 15 kW beträgt. Bei gleicher Rack-Up-Rate nähert sich die Leistungssteigerung durch GPU-Server der Grenze eines einzelnen Schranks. Allerdings steigt der Stromverbrauch von GPUs immer noch stetig an. Angesichts des hohen Stromverbrauchs und der hohen Dichte ist die herkömmliche Luftkühlung eindeutig nicht in der Lage, den Energieverbrauch und die Wärmeableitungsanforderungen zu erfüllen. Die Flüssigkeitskühlungstechnologie mit ihrer ultrahohen Energieeffizienz und ultrahohen Wärmedichte ist zu einer notwendigen Option für Temperaturregelungslösungen in intelligenten Rechenzentren geworden.
In herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentren beträgt der Energieverbrauch für die Kühlung der Geräte und die Wärmeableitung bis zu 40 %, und die Effizienz der Wärmeableitung ist nicht hoch. Aufgrund ihrer Einschränkungen ist die herkömmliche Luftkühlung in Rechenzentren im Allgemeinen mit einer Einzelschrankdichte von 8-10kW ausgelegt. Da die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeitskühlungstechnologie 25-mal so hoch ist wie die von Luft und fast 3000-mal mehr Wärme transportiert als das gleiche Luftvolumen, kann problemlos eine Einzelschrankdichte von über 30 kW erreicht werden. Dadurch kann viel Platz gespart, die Einsatzdichte von Schränken in einem einzelnen Rechenzentrum weiter verbessert und die Auslastung der Rechenzentrumseinheitsfläche verbessert werden.
Derzeit gibt es jedoch keinen einheitlichen Technologie- und Konstruktionsstandard in der Flüssigkeitskühlungsbranche, und im Vergleich zur herkömmlichen luftgekühlten Kühlung sind die Baukosten für Rechenzentren mit Flüssigkeitskühlung immer noch zu hoch. Die rasante Entwicklung der Flüssigkeitskühlungstechnologie und das Fehlen einheitlicher Technologie- und Konstruktionsstandards haben zu erheblichen Herausforderungen für die spätere Verwaltung und Wartung geführt.
Zu den wichtigsten Flüssigkeitskühlungstechnologien gehören derzeit die indirekte Flüssigkeitskühlungstechnologie, dargestellt durch ein Kühlplatten-Flüssigkeitskühlsystem, und die direkte Flüssigkeitskühlungstechnologie, dargestellt durch ein Immersionsflüssigkeitskühlsystem. Aufgrund der Unterschiede im Wärmeableitungsdesign zwischen beiden gibt es auch erhebliche Unterschiede in der Wärmeableitungseffizienz.
Die indirekte Wärmeableitungstechnologie wird durch den Kontakt mit den Oberflächen von CPUs, Speicher, GPUs, Festplatten und anderen Medien wie Kühlplatten erreicht und nutzt den Kühlmittelfluss zur Ableitung der Wärme. Zur indirekten Flüssigkeitskühlungstechnik gehören neben Kühlplatten und anderen Medien auch Komponenten wie Wärmetauscher, Rohrleitungen, Pumpen, Kühlmittel und Steuerungssysteme. Das Kühlplatten-Flüssigkeitskühlsystem ist zur Hauptlösung für die indirekte Flüssigkeitskühlungstechnologie geworden. Die Hauptvorteile der indirekten Flüssigkeitskühlungstechnologie bestehen darin, dass sie keine Änderung der Form vorhandener Server erfordert, geringe technische Designschwierigkeiten aufweist, relativ geringe Bereitstellungsschwierigkeiten aufweist und relativ geringe Schwierigkeiten bei der späteren Betriebs- und Wartungsverwaltung aufweist. Darüber hinaus sind die Kosten aufgrund der Verwendung einer wässrigen Ethylenglykollösung als Kühlmedium geringer.
Der Nachteil besteht darin, dass die Wärmeableitungseffizienz relativ gering ist und aufgrund der großen Anzahl von Komponenten die Ausfallrate relativ höher ist. Derzeit ist das Kühlplatten-Flüssigkeitskühlsystem für die meisten Rechenzentren die bevorzugte Lösung.
Die direkte Flüssigkeitskühlungstechnologie bezieht sich auf den direkten Kontakt zwischen CPU, GPU, Motherboard, Speicher usw. und Kühlmittel, das direkt durch die Hardwareoberfläche fließt, um Wärme aufzunehmen und abzuleiten. Derzeit umfasst die direkte Flüssigkeitskühlungstechnologie Immersionsflüssigkeitskühlsysteme und Sprühflüssigkeitskühlsysteme. Abhängig davon, ob das Kühlmedium einen Phasenwechsel erfährt, kann es in einphasiges Eintauchen und Phasenwechseleintauchen unterteilt werden.
Im Vergleich zur indirekten Wärmeableitungstechnologie gibt es bei der direkten Flüssigkeitskühlungstechnologie kein leitendes Zwischenmedium zwischen der Flüssigkeit und der Wärmequelle, und die Wärme kann direkter auf die Flüssigkeit übertragen werden, was zu einer höheren Wärmeableitungseffizienz führt. Die direkte Flüssigkeitskühlungstechnologie ist jedoch schwieriger und kostspieliger einzusetzen, da das gesamte Rechenzentrum neu gestaltet und umgestaltet werden muss. Derzeit wird die direkte Flüssigkeitskühlungstechnologie hauptsächlich in Szenarien eingesetzt, die eine hohe Wärmeableitungseffizienz erfordern.
Da das Kühlplatten-Flüssigkeitskühlsystem derzeit ausgereifter wird, wird es zur Mainstream-Flüssigkeitskühltechnologie werden, die zuerst in Rechenzentren Einzug hält. Die Kosten-, Betriebs- und Wartungs-, Sicherheits- und andere Probleme, die sich auf die Popularisierung der Kühlplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie auswirken, werden durch die Entwicklung der Technologie und die Standardisierung ebenfalls gelöst.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie werden Tauchflüssigkeitskühlsysteme auch in neuen Rechenzentren mit hoher Dichte weit verbreitet sein, wodurch die Wärmeableitungseffizienz von Rechenzentren weiter verbessert und die Rechenleistung erheblich gesteigert wird.
