Die steigende Nachfrage nach KI wird die Flüssigkeitskühlungslösung immer beliebter machen
Derzeit besteht das Wärmemodul hauptsächlich aus einer aktiven und passiven Hybrid-Wärmeableitungstechnologie mit Wärmerohren. Das Heatpipe-Kühlmodul ist so konzipiert und mit Komponenten wie Luftdiffusoren, Kühlkörpern und Thermorohren kombiniert, dass eine gleichmäßige Temperatur-Wärmeableitungs-Betriebsumgebung für interne elektronische Komponenten bereitgestellt werden kann, wodurch der Betrieb elektronischer Geräte stabiler wird. Mit dem Trend zu multifunktionalen und leichten Terminal-Elektronikprodukten hat sich die Fabrik für Wärmemodule der Entwicklung thermischer Lösungen zugewandt, die hauptsächlich auf Dampfkammer und Wärmerohr basieren.
Das Kühlkörpermodul ist in zwei Typen unterteilt: „luftgekühlter Kühlkörper“ und „flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper“. Zu den luftgekühlten Lösungen gehört die Verwendung von Luft als Medium über Zwischenmaterialien wie Wärmeschnittstellenmaterialien, Dampfkammer (VC) oder Wärmerohre, die durch Konvektion zwischen dem Kühlkörper oder Lüfter und der Luft abgeführt wird. „Flüssigkeitskühlung wird hauptsächlich durch Konvektion mit der Flüssigkeit erreicht, wodurch der Chip gekühlt wird. Mit zunehmender Wärmeerzeugung und Volumen des Chips steigt jedoch der thermische Design-Stromverbrauch (TDP) des Chips und die Verwendung von Luftkühlung ist erforderlich.“ Die Wärmeableitung wird allmählich unzureichend.
Mit der Entwicklung des Internets der Dinge, Edge Computing und 5G-Anwendungen hat die Daten-KI die globale Rechenleistung in eine Phase schnellen Wachstums getrieben. Nach Angaben des Forschungsunternehmens TrendForce machte das Auslieferungsvolumen von KI-Servern, die mit GPGPUs (General Purpose GPUs) ausgestattet sind, im Jahr 2022 etwa 1 % aus. Im Jahr 2023 wird jedoch erwartet, dass das Auslieferungsvolumen von KI-Servern aufgrund von ChatGPT-Anwendungen zunehmen wird um 38,4 %, und die gesamte durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der KI-Serverlieferungen von 2022 bis 2026 wird 29 % erreichen.
Für das Design der nächsten Generation von Kühlkörpermodulen gibt es zwei Hauptrichtungen. Zum einen sollen die vorhandenen Wärmeableitungsmodule mit einer 3D-Dampfkammer (3DVC) aufgerüstet werden, zum anderen soll ein Flüssigkeitskühlsystem eingeführt werden, bei dem Flüssigkeit als Konvektionsmedium zur Verbesserung der thermischen Effizienz verwendet wird. Daher wird die Zahl der Testfälle für Flüssigkeitskühlung im Jahr 2023 deutlich zunehmen, 3DVC ist jedoch nur eine Übergangslösung. Es wird geschätzt, dass wir von 2024 bis 2025 in die Ära der parallelen Gaskühlung und Flüssigkeitskühlung eintreten werden.
Mit dem Aufstieg von ChatGPT hat die generative KI die Auslieferungen von Servern in die Höhe getrieben, und die Anforderungen zur Aktualisierung der Spezifikationen von Kühlkörpermodulen treiben sie in Richtung Flüssigkeitskühlungslösungen, um die strengen Anforderungen von Servern an Wärmeableitung und Stabilität zu erfüllen. Derzeit verwendet die Industrie bei der Flüssigkeitskühlung hauptsächlich die einphasige Tauchkühlungstechnologie, um das Problem der Wärmeableitung von Servern oder Teilen mit hoher Heizdichte zu lösen. Es gibt jedoch immer noch eine Obergrenze von 600 W, da ChatGPT oder Server höherer Ordnung eine benötigen Wärmeableitungskapazität von mehr als 700 W zu bewältigen.
Basierend auf der Tatsache, dass das Kühlsystem etwa 33 % des Gesamtenergieverbrauchs im Rechenzentrum ausmacht, umfasst die Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs und die Verringerung der Stromverbrauchseffizienz die Verbesserung des Kühlsystems, der Informationsausrüstung und die Nutzung erneuerbarer Energien. Wasser hat eine viermal höhere Wärmekapazität als Luft. Daher wird bei der Einführung eines Flüssigkeitskühlungssystems nur 1 HE Platz für die Flüssigkeitskühlplatte benötigt. Um die gleiche Rechenleistung zu erreichen, kann laut NVIDIA-Tests die Anzahl der für die Flüssigkeitskühlung erforderlichen Schränke um 66 % reduziert werden. Der Energieverbrauch kann um 28 % gesenkt, der PUE von 1,6 auf 1,15 gesenkt und die Recheneffizienz verbessert werden .
Schnelles Computing führt zu einer kontinuierlichen Verbesserung der TDP, und KI-Server stellen höhere Anforderungen an die Wärmeableitung. Die herkömmliche Wärmerohrkühlung stößt an ihre Grenzen und die Einführung flüssigkeitsgekühlter thermischer Lösungen ist unumgänglich.
