Serverite vedelikjahutustööstuse uurimine

 

IDC on tüüpiline suure energiatarbimisega tööstusharu ja seisab silmitsi energiatarbimise poliitiliste piirangutega. Arenenud piirkondades on kehtestatud energiatarbimist piiravad poliitikad ja IDC energiatarbimine keskendub peamiselt jahutamisele. AI-serverite soojusenergia tarbimine on enam kui viis korda suurem kui tavalistel serveritel, mistõttu on jahutuse saavutamiseks ja PUE taseme vähendamiseks vaja tõhusamat vedelikjahutust.

 

Nvidia ja kodumaiste operaatorite ajendiks ületab vedelikjahutuse (külmplaadi) läbitungimismäär serverites 2024. aastal 10%, jõudes kiiresse kasvufaasi. Eeldatakse, et 2028. aastaks jõuab kodumaise vedelikjahutuse levik 30%ni, turu suurus on üle 20 miljardi RMB.

 

Vedelikjahutussüsteemi kõige väärtuslikumad komponendid on vedelikjahutusplaadid ja -torud. Hinnanguliselt on siseturg 2028. aastaks umbes 10 miljardit RMB. Kuna toote tehnilised tõkked ei ole kõrged, on ettevõtetel, kes sisenevad turule varakult ja loovad partnerlussuhteid põhiliste kiipide ja serverite tootjatega, märkimisväärsed eelised.

 

Nvidia ja Huawei tarneahela ettevõtetel on paremad investeerimisvõimalused, pöörates erilist tähelepanu ettevõtetele Innovance Technology, Gaolan Co., Ltd., Jingyan Technology ja Siquan New Materials.

 

 

I AI-serverid/IDC-d nõuavad vedelikjahutussüsteeme

 

1) AI-serverite suur energiatarve nõuab vedelikjahutust

Standardne CPU-server mõõtmetega 4U (737 mm × 437 mm × 178 mm) tarbib tavaliselt umbes 800 W võimsust ja soojusväljund on umbes 200 W, mis vastab 50 W/U soojusvõimsusele ruumiühiku kohta. Seevastu 8 samas suuruses formaadis GPU-kiibiga varustatud tehisintellektiserveri energiatarve on umbes 5 kW ja soojusväljund umbes 1000 W, mis vastab 250 W/U soojusvõimsusele ruumiühiku kohta, mis on ligikaudu neli korda suurem kui tavaline server. Tüüpilise 4U õhkjahutusega serveri maksimaalne võimsuse hajumine on 600 W, mis on tunduvalt madalam tehisintellektiserveri 1000 W soojuse hajumise nõuetest, mistõttu on vajalik vedelikjahutus.

 

▲ AI serveri soojuse hajutamise vajadused on umbes 5 korda suuremad kui tavalistel serveritel

 

2) AI-serveri IDC-d peavad kasutama vedelikjahutussüsteeme

Serveriruumi temperatuuri hoidmiseks vahemikus 20-25 kraadi võib õhkjahutust kasutav üldine serveri IDC saavutada minimaalse PUE väärtuse 1,3, mis ei vasta vaevu eeskirjade nõuetele. Õhkjahutust kasutav AI-serveri IDC suudab aga saavutada ainult PUE väärtuse 1,6. Seetõttu saab ainult vedelikjahutussüsteemi kasutades hoida serveriruumi PUE-d allpool nõutavat 1,3.

 

▲ Erinevate jahutuslahenduste võrdlus

 

Värskeima tööstusahelateabe kohaselt võtab Nvidia täielikult kasutusele vedelikjahutuse alates mudelist B100 ja toob 2024. aastal turule täielikult kohandatud vedelikjahutuslahenduse, kiirendades oluliselt vedelikjahutusega serverite arendamist.

 

 

II Vedeljahutusplaadid/Vedeljahutustorud

 

1) Soojusjuhtimise optimeerimine vedeljahutusplaatidega

Vedeljahutusplaadid edastavad soojust soojust tekitavatest komponentidest kaudselt jahutusvedelikule, mis ringleb suletud ahelaga süsteemis, läbi külmplaadi, mis on tavaliselt valmistatud soojust juhtivatest metallidest nagu vask või alumiinium. Seejärel kannab jahutusvedelik soojuse ära. Vedeliku jahutusplaatide kvaliteedile on neli peamist tehnilist nõuet: esiteks, suur jahutusvõimsus; teiseks kõrge töökindlus, mis tagab külmplaadi tihendi; kolmandaks täpne soojuse hajumise disain, et vältida suuri temperatuuri erinevusi süsteemi sees; ja neljandaks, külmplaadi kaalu range kontroll, et jahutussüsteem ei vähendaks oluliselt kogu süsteemi energiatihedust.

 

Vedelikjahutusplaadid on valmistatud töötlemisprotsesside abil, mis võimaldab sisekanalite mõõtmeid ja liikumisteid vabalt kujundada. Seetõttu sobivad need suure võimsustihedusega, ebakorrapärase soojusallika paigutusega ja ruumipiirangutega soojusjuhtimistoodete jaoks. Neid kasutatakse peamiselt tuuleenergia muundurite, fotogalvaaniliste inverterite, IGBT-de, mootorikontrollerite, laserite, energiasalvestite toiteallikate, superarvutiserverite ja muude valdkondade jahutustoodete projekteerimisel, kuid harvemini kasutatakse neid akusüsteemides.

2) Külmplaadi vedelikjahutus on peamine lahendus

 

 

▲ Külmplaat ja sukeldatud vedeljahutuslahused

 

Vedeljahutuslahendusi on kaks peamist: külmplaat ja sukeldus. Külmplaadi lahendus kasutab õõnsat vedeliku jahutusplaati, mis on kinnitatud CPU ja GPU pindadele. Soojuse kannab ära sees voolav jahutusvedelik, vähendades IDC PUE väärtuseni 1,2. Sukelduslahendus uputab kogu serveri otse spetsiaalsesse isoleeritud jahutusvedelikku, eemaldades soojuse vedeliku ringluse kaudu. Selle meetodi abil on võimalik saavutada PUE alla 1,1 ja seda kasutatakse peamiselt ülisuure võimsustihedusega superarvutite puhul. Eeldatakse, et külmplaadi vedelikjahutusest saab tulevikus peamine vedelikjahutuslahendus, mis moodustab enam kui 90% vedelikjahutussüsteemi kasutamisest.

 

3) vedelikjahutusplaadid ja vedelikjahutustorud

 

 

▲ Külmplaadi vedelikjahutussüsteemi skeem

 

Külmplaadi vedelikjahutussüsteem koosneb kolmest põhiosast: serveri šassii sisemine soojusjuhtivussüsteem (vedelikjahutusplaadid ja torud), šassii välimine tsirkulatsioonisüsteem (pumbad, ventiilid, torud) ja väline soojusvahetussüsteem serveriruumist (jahutustornid jne). Nende hulgas peetakse soojusvahetussüsteemi ja jahutustorne tavaliseks elektromehaaniliseks seadmeks ja nende väärtus on madal. Seetõttu koondub vedelikjahutussüsteemi väärtus peamiselt šassii sees olevatele vedelikjahutusplaatidele ja torudele.