Vedeljahutuse põhipunktid tehisintellekti arvutusvõimsuse arengus ja praktilistes rakendustes

 

 

Viimastel aastatel on tehnoloogiate, nagu tehisintellekt, suurandmed ja suured mudelid, kiire arenguga nõudlus tõhusa jahutuse järele pidevalt kasvanud. Vedeljahutustehnoloogia on pälvinud laialdast tähelepanu ja rakendust. Paljud tuntud ettevõtted on investeerinud vedelikjahutustehnoloogia uurimisse ja rakendusse, ajendades selle pidevat innovatsiooni ja arendamist. Vedelikjahutustehnoloogia rakendamine laieneb järk-järgult ka sellistes valdkondades nagu 5G side ja äärearvuti, pakkudes tugevat tuge nende kasvule.

 

Turu-uuringute agentuuride hinnangul peaks ülemaailmne vedelikjahutuse turg lähiaastatel säilitama kiire kasvu, ulatudes aastaks 2025 miljarditesse dollaritesse. Hiina turul kasvab järk-järgult ka vedelikjahutuse tehnoloogia rakendamine ning turu suurus on eeldatavasti kahekordistub järgmise paari aasta jooksul.

 

 

I Arvutusvõimsuse ja jahutuse areng

 

Arvutusvõimsuse arengus mängib jahutus kriitilist rolli. Iga suurema läbimurdega arvutusvõimsuses on sageli kaasnenud jahutustehnoloogia täiustamine. Alguses oli esmaseks meetodiks õhkjahutus, mille käigus kasutati õhu liigutamiseks ja soojuse hajutamiseks ventilaatoreid. See on traditsioonilisem ja tavalisem jahutusmeetod.

 

Kuna arvutusvõimsus kasvas ja soojuse tootmine kasvas, tekkis tõhusam soojustorude jahutustehnoloogia. Soojustorud edastavad soojust töövedeliku aurustumise ja kondenseerumise kaudu, pakkudes head soojusjuhtivust. Vedelikjahutustehnoloogia tõusis järk-järgult esile, neelates ja edastades tõhusalt soojust ringleva vedeliku kaudu, pakkudes õhkjahutusega võrreldes suuremat efektiivsust. Kuna arvutusnõuded heterogeensetes, HPC ja AI süsteemides kasvavad jätkuvalt, muutub vedelikjahutuse tähtsus üha selgemaks.

 

▲ Jahutustehnoloogia arengu taga on kiibitehnoloogia pidev muutmine

 

Täiustatud pakendamine on muutunud Moore'i seaduse laiendamise oluliseks teeks, kuna pooljuhtprotsessid lähenevad füüsilistele piiridele. Lisaks seadme suuruse kahanemisele protsessitehnoloogiate, uute materjalide väljatöötamise ja transistori tiheduse suurendamiseks vooluahela struktuuride parandamise kaudu on oluline suund ka pakendamismeetodite muutmine integraallülituse võimsuse suurendamiseks. Sellistes stsenaariumides nagu mitme kiibiga 2.5D ja 3D pakend, mis parandavad süsteemi jõudlust, muutub vedelikjahutus ülitõhusate jahutuslahenduste puhul hädavajalikuks, kuna süsteemi võimsus ja soojustihedus arvutivõrgu raamistikes suurenevad.

 

Kuna AI koolitus ja järeldused rekonstrueerivad arvutusvõrgu arhitektuure, on suurte mudeliparameetrite kasvutempo oluliselt kiirem kui GPU mälul. Kõrge integreeritavus, suur mälu ja mitme GPU-ga süsteemid sobivad paremini suurte mudelite treenimiseks ja järelduste tegemiseks. Kuna AIDC-kappides on oluliselt suurenenud kiibi tihedus, on paratamatu üleminek traditsiooniliselt jahutiselt tõhusale vedelikjahutusele.

 

▲ AIDC kapid

 

 

II Vedeljahutuse rakendusstsenaariumid ja tehnoloogia

 

Kiibi tasemel, kui kiibi tüüpiline voolutarve ületab 300 W, on arvutusvõimsuse vabanemise tagamiseks vajalik vedelikjahutus. Süsteemi tasandil on AI-serverite võimsus kasvanud 10 kW tasemelt kümnete kW-ni kapi kohta, mis tekitab tungiva vajaduse vedelikjahutuse järele, et tungida sisse. Andmekeskuse tasandil on ainus viis IDC PUE vähendamiseks üle 1,5-lt 1,2-le kasutada vedelikjahutust.

 

Praegu hõlmavad Hiinas levinud vedeljahutuslahendused külmplaadi-, sukeldus- ja pihustustüüpe, kusjuures kõige laialdasemalt kasutatakse külmplaati.

 

 

▲ Külmplaadi-, sukeldus- ja pihustustüübid

 

▲ Külmplaat, faasimuutus, ühefaasiline sukeldamine ja pihustusjahutus

 

Kuna nõudmised arvuti jõudlusele suurenevad, on vedelikjahutustehnoloogial järgmistes peamistes rakendusstsenaariumides ülioluline roll.

1. Andmekeskused:Serverite ja muude IT-seadmete jahutamine energiatõhususe parandamiseks ja tegevuskulude vähendamiseks.

2. Superarvutid:Suure jõudluse ja stabiilsuse tagamiseks suuremahuliste andmetöötlusülesannete käsitlemine.

3. Tehisintellekt:Süvaõppe mudelite koolitamine ja käitamine arvutamise kiirendamiseks.

4. Meditsiiniseadmed:Seadmete (nt MRI-aparaadid) hoidmine töötemperatuuril.

5. Tööstuslik tootmine:Jahutustöötlemisseadmed tootmise efektiivsuse ja tootekvaliteedi parandamiseks.

6. Elektrisõiduk:Akupakettide jahutamine, et pikendada aku kasutusiga ja parandada ohutust.

7. Lennundus:Jahutuselektroonika ja mootori komponendid.

8. Uuringud:Erinevate katseseadmete jahutamine.

9. Mänguarvutid:Suure jõudlusega jahutuslahenduste pakkumine.

10. Krüptoraha kaevandamine:Kaevandusseadmete tõhusa töö tagamine.

 

 

III Vedeljahutustehnoloogia arengusuunad

 

Energiasäästu ja heitkoguste vähendamise kontekstis hakkavad järk-järgult ilmnema vedelikjahutustehnoloogia eelised ning esile kerkivad mitmed uued suundumused:

1. Suurem efektiivsus:Jahutusefektiivsuse pidev parandamine, et vastata kasvavatele andmetöötlusnõuetele.

2. Madalam energiatarve:Energiatarbimise vähendamine optimeeritud disaini ja materjalide abil.

3. Laiemad rakendused:Laienemine rohkematele valdkondadele, nagu 5G side ja äärearvuti.

4. Nutikas haldamine:Vedelikjahutussüsteemide intelligentse jälgimise ja juhtimise saavutamine.

5. Keskkonnasäästlikkus:Keskkonnasõbralike jahutusvedelike ja materjalide kasutamine.

6. Integreeritud disain:Integreerimine teiste tehnoloogiatega, et parandada süsteemi üldist jõudlust.

7. Kulude vähendamine:Kulude vähendamine tehnoloogia arenedes ja mastaapides.

8. Parem töökindlus:Vedelikjahutussüsteemide üldise töökindluse ja stabiilsuse suurendamine.

9. Kohandatud lahendused:Kohandatud vedelikjahutuslahenduste pakkumine erinevate rakenduste jaoks.

10. Soojustagastus:Vedeljahutussüsteemides toodetud soojuse taaskasutamise uurimine.

 

 

IV Levinud vedelikjahutustehnoloogiate omadused ja rakendusstsenaariumid

 

▲ Levinud vedelikjahutustehnoloogiate omadused ja kasutusstsenaariumid

 

 

V Arvutusvõimsuse piirang on elekter

 

Arutades "East Data West Computation", kuna IDC/AIDC on palju energiat tarbivad tööstusharud, on arvutusvõimsuse ja elektrienergia sobitamine praktiline vajadus. Omdia 2020 andmetel moodustab andmekeskuste ülemaailmne elektritarbimine 2% ühiskonna kogu elektritarbimisest.

 

PUE on oluline standard IDC projektide majandusliku teostatavuse ja energiatarbimise hindamisel. „East Data West Computation” nõuab andmekeskuse PUE taset, mis on praegustest standarditest kõrgem (tavaliselt nõuab riiklike projektide puhul PUE väärtust ligikaudu 1,2). Energiasäästu eesmärkide saavutamise tuum seisneb temperatuuri reguleerimises energiasäästuseadmetes. "East Data West Computation" tähendab Hiina üldise arvutusvõimsuse märkimisväärset tõusu ning nõudlus temperatuuri reguleerimise jahutus- ja energiasäästuseadmete toetamise järele kasvab paralleelselt.

 

PUE=IDC koguenergiatarbimine / IT-seadmete energiatarbimine

 

IT-seadmete energiatarve=nimivõimsus kapi kohta × toitega kappide arv × 24 tundi × päevade arv aastas × koormustegur

 

 

VI Vedeljahutuse ökonoomsuse parandamine

 

AIDC kulustruktuuri jaotades on vedelikjahutuse läbitungimine juba näidanud majanduslikku elujõulisust pigem võimsustiheduse kui lihtsalt vedelikjahutuse kulu tõttu.

 

Capexi vaatenurgast:ehitus (ruumikulu), elektrijaotus (võimsusvõimsus) ja soojusjuhtimisseadmete kulud (õhkjahutus või vedelikjahutus) moodustavad suurema osa alginvesteeringust (arvestamata IKT-seadmeid, kuluosa > 50%).

 

Opexi vaatenurgast:elekter ja amortisatsioon on peamised jooksvad tegevuskulud (kulude osakaal võib ületada 80%).

 

Vedeliku jahutuse ökonoomsuse mõõtmise põhitegur seisneb PUE optimeerimisega saavutatud elektrisäästikus, suuremas tiheduses ja selles, kas need suudavad kompenseerida täiendavat alginvesteeringut seadmetesse.

 

 

▲ Vedelikjahutuse ökonoomsuse parandamise meetod

 

 

VII Vedelikjahutuse ökonoomika loogiline raamistik

 

Traditsiooniliste IDC ehituskulude puhul on projekti majanduslikku teostatavust mõjutavad põhitegurid ehitus, elektrijaotus ja kliimaseade. Kappide võimsustiheduse kasvades on elektriseadmete Capexi ja aastase elektrienergia Opexi mõju IDC ärimudelis oluliselt kasvanud.

 

 ▲ Vedelikjahutuse ökonoomika loogiline raamistik

 

 

VIII Arvutusvõimsuse vedelikjahutus

 

Sarnaselt tehisintellekti toitesüsteemile nõuab ka energiasalvestussüsteemide tõhus ja stabiilne töö rangeid temperatuuri- ja niiskustingimusi. Temperatuur mõjutab otseselt aku mahtuvust ja tõhususe vähenemist ning see on otseselt seotud termiliste jooksvate vahejuhtumitega. Praegu hõlmavad energia salvestamise peamised jahutustehnoloogiad õhkjahutust, vedelikjahutust, soojustoru jahutust ja faasimuutusjahutust. Õhk- ja vedelikjahutus on tööstuse põhivool.

China Energy Storage Networki andmetel moodustab aku maksumus energiasalvestussüsteemides umbes 55%, PCS umbes 20%, BMS ja EMS koos umbes 11% ning soojusjuhtimise kulud varieeruvad vahemikus 2-4 % sõltuvalt valitud jahutustehnoloogiast.

 

Suure võimsusega ja suure tihedusega energiasalvestusjaamade, nagu uued energiaelektrijaamad ja võrguvälised salvestusjaamad, mida juhivad suured energiakontsernid ja suured süsteemiintegraatorid, ehitamisega suureneb vedelikjahutuse levik energiasalvestisse. Energia salvestamise temperatuuri reguleerimise laiendamine IDC täppistemperatuuri reguleerimise, tööstusliku temperatuuri reguleerimise ja uute energiasõidukite temperatuuri reguleerimise kaudu viitab võimalikele tulevastele arengutele.

 

▲ Energiasalvestussüsteemid

 

Energia salvestamise temperatuuri reguleerimise tööstuse allavoolu kontsentratsioon on kõrge ning sellel on tugev läbirääkimisjõud ja läbirääkimisvõimendus. Kui tarnekvalifikatsioon on kindlaks tehtud, on suhe kleepuv, mistõttu on esmajärjekorra eelised olulised. Põhiliste tehisintellekti kiipide ja terminalide tootjate sertifitseerimine koos teenindusvõimalustega on peamised takistused arvutusvõimsuse vedelikjahutuse turule sisenemisel.

 

Õhk- ja vedelikjahutussüsteemide laiaulatuslik kasutamine energiasalvestamisel koos nõudluse kiire kasvuga muudab toodete tarnimise võimalused ja kulude kontrolli kriitiliseks. IKT ja IDC investeerimiskulude vähendamine tootmise ja kulude kontrolli kaudu on hädavajalik.

 

Kui mälumaht suureneb, kasvavad nõudmised toodete kohandamiseks. Vedelikjahutussüsteemid vajavad vooluteede arvu, voolukiiruste ja voolukiiruste osas suurt kohandamist, mis sunnib kliente valima kaasdisainivõimalustega tootjaid. Komponentide segment keskendub standardiseeritud toodetele, mille jõudlus varieerub erinevates toodetes, samas kui süsteemisegment keskendub mittestandardsetele toodetele, mis nõuavad soojusjuhtimise tehnoloogia mõistmist ning teadmisi IKT ja IDC süsteemide kohta.

 

 

Ⅸ Kuidas valida õiget vedelikjahutustehnoloogiat

 

Sobiva vedelikjahutustehnoloogia valimisel tuleb arvestada järgmiste teguritega:

 

1. Jahutusvajadused:Määrake oma seadme või süsteemi jahutusvajadus. Erinevatel rakendustel ja seadmetel on erinevad jahutusvajadused, nagu suure jõudlusega andmetöötlus, andmekeskused või mänguarvutid, mis võivad vajada tugevamat jahutusvõimet.
2. Tehnoloogia tüüp:Saate aru erinevat tüüpi vedelikjahutustehnoloogiatest, nagu külmplaat, sukeldus ja pihustus. Igal tehnoloogial on oma omadused ja rakendatavad valdkonnad, mis nõuavad hoolikat valikut konkreetsete vajaduste põhjal.
3. Maksumus:Vedeljahutustehnoloogiaga kaasnevad üldjuhul suuremad kulud, sealhulgas seadmete, paigalduse ja hoolduse kulud. Valige tehnoloogia, mis sobib teie eelarvega.
4. Ruuminõuded:Vedeljahutussüsteemid vajavad paigaldamiseks ja tööks sageli ruumi. Võtke arvesse oma seadmete suurust ja ruumipiiranguid.
5. Töökindlus ja hooldus:Valige usaldusväärne vedelikjahutustehnoloogia ja tarnijad, et tagada süsteemi stabiilsus ja töökindlus. Saate aru süsteemi hooldusnõuetest, et hõlbustada igapäevast hooldust ja tõrkeotsingut.
6. Ühilduvus:Veenduge, et vedelikjahutustehnoloogia ühildub teie seadmete ja komponentidega, kahjustamata seejuures teisi osi.
7. Toimivus ja tõhusus:Võrrelge erinevate vedelikjahutustehnoloogiate jahutuse jõudlust ja efektiivsust ning valige oma vajadustele vastav.
8. Keskkonna- ja ohutuskaalutlused:Võtke arvesse vedelikjahutustehnoloogia keskkonnamõju ja ohutust, valides keskkonnasõbralikud, mittetoksilised ja mittesüttivad jahutusvedelikud.
9. Tehniline tugi ja teenused:Probleemide kiireks lahendamiseks valige tarnija, kes pakub head tehnilist tuge ja müügijärgset teenindust.

 

Kõiki neid tegureid arvesse võttes saate valida oma vajadustele kõige sobivama vedelikjahutustehnoloogia. Enne otsuse tegemist on täpsema teabe ja soovituste saamiseks soovitatav konsulteerida professionaalsete vedelikjahutustehnoloogia tarnijatega.

 

Tehnoloogia arenedes muutub vedelikjahutustehnoloogia küpsemaks ja laiemalt levinud ning rakendused laienevad pidevalt. Tulevikus võib vedelikjahutus integreeruda tehisintellekti ja asjade internetiga, mis toob kaasa intelligentsema soojusjuhtimise. Vedelikjahutustehnoloogia areng toob erinevatele tööstusharudele rohkem võimalusi ja väljakutseid, mis nõuavad pidevat innovatsiooni ja uurimist.