Die Revolution der Flüssigkeitskühlungstechnologie in Rechenzentren
Mit der innovativen Entwicklung von Technologien wie KI, Cloud Computing und Big Data führen Rechenzentren und Kommunikationsgeräte sowie Informationsinfrastrukturen einen immer größeren Rechenaufwand durch. Mit dem rasanten Anstieg der Rechenleistung in Rechenzentren ist die Leistungsdichte einzelner Schränke gestiegen, was höhere Anforderungen an die Wärmeableitungseffizienz stellt. Andererseits sind Rechenzentren als „große Energieverbraucher“ im Rahmen der „Dual Carbon“-Politik dazu verpflichtet, ihre PUE-Indikatoren kontinuierlich zu senken, um den Stromverbrauch der Kühlanlage zu senken. Allerdings kann die herkömmliche Luftkühlung die oben genannten Wärmeableitungsanforderungen nicht mehr erfüllen, und es ist eine Flüssigkeitskühlungstechnologie entstanden.
Die vor 10 Jahren auf dem Markt erhältliche Top-GPU für Rechenzentren war die NVIDIA K40 mit einer Thermal Design Power (TDP) von 235 W. Als NVIDIA im Jahr 2020 den A100 herausbrachte, lag die TDP bei fast 400 W, und mit dem neuesten H100-Chip stieg die TDP sprunghaft auf 700 W. Der Stromverbrauch eines einzelnen Hochleistungs-KI-Chips im thermischen Design hat 1000 W erreicht. Es wird davon ausgegangen, dass Intel einen Chip entwickelt, der eine Leistung von 1,5 kW erreichen könnte. Der Wettbewerb in der künstlichen Intelligenz läuft letztendlich auf den Wettbewerb in der Rechenleistung hinaus, und ein großer Engpass bei High-Computing-Chips ist ihre Fähigkeit zur Wärmeableitung. Wenn die TDP des Chips 1000 W übersteigt, muss die Flüssigkeitskühlungstechnologie eingesetzt werden.
Die Flüssigkeitskühlungstechnologie kann die Probleme des Einsatzes mit hoher Dichte und der lokalen Überhitzung in Computerräumen effektiv lösen, wobei die Immersionsflüssigkeitskühlung herausragende Vorteile bei der Wärmeableitung und Energieeinsparung bietet. Die Immersionsflüssigkeitskühlung ist eine typische Direktkontakt-Flüssigkeitskühlungsmethode, bei der elektronische Geräte in eine Kühlflüssigkeit eingetaucht werden und die erzeugte Wärme direkt auf die Kühlflüssigkeit übertragen und durch die Zirkulation der Flüssigkeit geleitet wird. Die Immersionsflüssigkeitskühlung kann in zwei Typen eingeteilt werden: Einphasen-Immersionsflüssigkeitskühlung und Phasenwechsel-Immersionsflüssigkeitskühlung, je nachdem, ob die verwendete Kühlflüssigkeit während der Kühlung elektronischer Geräte einen Zustandswechsel erfährt. Der Vorteil der Einphasenkühlung besteht darin, dass die Einsatzkosten und die Kosten für das Kühlmedium geringer sind und keine Gefahr eines Kühlmittelüberlaufs besteht. Der Vorteil des Phasenwechsels liegt in seiner höheren Wärmeableitungskapazität und -grenze, er bleibt jedoch hinsichtlich der Kosten und der technologischen Reife immer noch hinter dem einphasigen Verfahren zurück.
Einphasige Tauchkühlung bietet eine überzeugende Lösung für Rechenzentren, die ein effizientes und zuverlässiges Wärmemanagement anstreben. Bei diesem Verfahren werden die IT-Komponenten vollständig in eine speziell formulierte Isolierflüssigkeit eingetaucht. Diese Flüssigkeit nimmt die Wärme direkt vom Server auf, ähnlich einer zweiphasigen Tauchkühlung. Im Gegensatz zu Zweiphasensystemen siedet ein einphasiges Kühlmittel nicht und unterliegt keinen Phasenübergängen. Es bleibt während des gesamten Abkühlvorgangs flüssig. Die erwärmte Isolierflüssigkeit zirkuliert durch den Wärmetauscher innerhalb der Kühlverteilungseinheit (CDU). Dieser Wärmetauscher überträgt Wärmeenergie auf ein unabhängiges Kühlmedium, typischerweise ein geschlossenes Wassersystem. Anschließend wird die abgekühlte Isolierflüssigkeit zurück in das Tauchbecken gepumpt, um den Kühlzyklus abzuschließen.
Bei einem Zweiphasen-Tauchkühlsystem werden elektronische Komponenten in ein isoliertes wärmeleitendes Flüssigkeitsbad getaucht, das eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft, Wasser oder Öl aufweist. Der Unterschied zwischen der Zweiphasen-Immersionsflüssigkeitskühlung besteht darin, dass das Kühlmittel einen Phasenübergang durchläuft. Der Wärmeübertragungspfad der zweiphasigen Immersionsflüssigkeitskühlung ist grundsätzlich der gleiche wie der der einphasigen Immersionsflüssigkeitskühlung, mit dem Hauptunterschied, dass das sekundärseitige Kühlmittel nur im Innenbereich der Tauchkammer zirkuliert, mit der Oberseite wobei die Tauchkammer die Gaszone und der Boden die Flüssigkeitszone darstellt; Die IT-Ausrüstung ist vollständig in ein flüssiges Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt eingetaucht, das die Wärme der Ausrüstung aufnimmt und zum Kochen bringt. Das durch Verdampfung entstehende gasförmige Kühlmittel hoher Temperatur sammelt sich aufgrund seiner geringen Dichte nach und nach oben in der Tauchkammer und tauscht Wärme mit dem oben installierten Kondensator aus, wodurch es zu einem flüssigen Kühlmittel niedriger Temperatur kondensiert. Anschließend fließt es unter der Wirkung der Schwerkraft zurück zum Boden der Kammer und sorgt so für eine Wärmeableitung für die IT-Ausrüstung.
Im Prozess der innovativen Entwicklung der Wärmeableitungstechnologie, egal ob es sich um Chips oder elektronische Geräte handelt, stellen das Volumen, die Designkosten, die Zuverlässigkeit und andere Aspekte von Produkten Schwellenwerte dar, die Unternehmen nicht vermeiden können. Auch das sind Probleme, die die Wärmeableitungstechnik ausgleichen und lösen muss. Durch unterschiedliche Kombinationstechnologien können Produkte für unterschiedliche Wärmeableitungsmaterialien, Technologien und Anwendungsszenarien entwickelt werden, um für das aktuelle Muster die optimale Lösung zu finden.
