La creciente demanda desencadena una revolución en la potencia informática. ¡La refrigeración líquida impulsará fuertemente el crecimiento de la industria!

 

Desde 2023, el modelo de chatbot con IA de OpenAI, ChatGPT, ha recibido un amplio reconocimiento. Utiliza grandes cantidades de datos de entrenamiento para simular el comportamiento del lenguaje humano, generando texto a través del análisis semántico, lo que le permite interactuar con los usuarios de una manera natural y realista, a menudo indistinguible de la interacción humana.

 

En muchos ámbitos, como la creación de poesía y la escritura de guiones, incluso supera las capacidades humanas. Sin embargo, el desarrollo de la inteligencia artificial requiere una potencia informática extremadamente potente, lo que conduce a un mayor consumo de energía de los servidores, una mayor densidad de potencia por unidad en los centros de datos y un aumento del consumo de energía. La tecnología de refrigeración por aire tradicional ya no puede satisfacer las necesidades de refrigeración, lo que hace que la refrigeración líquida sea una necesidad que, sin duda, impulsará el crecimiento de la industria.

 

▲ Modelo de chatbot de IA de OpenAI, ChatGPT

 

 

Ⅰ El éxito explosivo de ChatGPT: ¿Qué tipo de potencia informática requiere?

 

Los datos, los algoritmos y la potencia de cálculo son los tres elementos fundamentales de la inteligencia artificial, y la potencia de cálculo se denomina el "motor" de la IA. Tanto los datos como los algoritmos dependen de la potencia de cálculo. Según las estimaciones de OpenAI, desde 2012, la potencia de cálculo necesaria para entrenar a los mejores modelos de IA del mundo se ha duplicado aproximadamente cada 3-4 meses, y el aumento anual de la potencia de cálculo necesaria para entrenar a los mejores modelos llega a ser hasta diez veces mayor. Durante la fase de entrenamiento, ChatGPT consumió un total de unos 3640 PF-días (lo que significa funcionar a una eficiencia de 1 PetaFLOP/s durante 3640 días). Esto pone de relieve que una gran potencia de cálculo es la clave para respaldar la aplicación y popularización del contenido generado por IA (AIGC) en el futuro.

 

Tomemos como ejemplo ChatGPT: está respaldado por el modelo GPT-3.5, que ha pasado por tres iteraciones (GPT-1, GPT-2, GPT-3), con un aumento de la cantidad de parámetros de 117 millones a 175 mil millones, y una cantidad de datos de preentrenamiento de 5 GB a 45 TB (equivalente a 160 veces la versión completa de Wikipedia en inglés). Esta enorme cantidad de datos y cálculos requiere una mayor potencia de procesamiento para respaldar su funcionamiento. Según datos de Similarweb, en enero de 2023, ChatGPT tenía alrededor de 13 millones de usuarios activos diarios, cada uno de los cuales hacía preguntas con un promedio de alrededor de 14 palabras.

 

Esto generó un total de aproximadamente 13 mil millones de palabras (17,33 mil millones de tokens). Suponiendo que las tareas se distribuyen uniformemente durante 24 horas, la cantidad de GPU A100 necesarias sería 17,33 mil millones * 2 * 300 mil millones / (20% * 24 horas * 3600 segundos)=601.75 PetaFLOP/S. Dado que existen picos de tráfico, suponiendo que el tráfico pico es cinco veces el promedio diario, se necesitarían un total de 602 servidores DGX A100 para satisfacer la demanda de tráfico actual, lo que hace que los requisitos de potencia de procesamiento sean extremadamente estrictos.

 

Esto demuestra que, para entrenar modelos de IA aún mejores y aplicarlos realmente en diversas industrias, se necesita una potencia informática más eficiente y recursos informáticos más abundantes. La potencia informática se ha convertido en un factor crítico que limita la industrialización de la IA y está destinada a desencadenar una nueva revolución en materia de potencia informática. Con el rápido aumento de la demanda de potencia informática de la IA, la potencia de las CPU/GPU relacionadas se está acelerando, lo que requiere soluciones de refrigeración más fuertes y efectivas para mantener el equipo funcionando sin problemas.

 

 

Ⅱ Amplias aplicaciones del poder computacional

 

En la era de la economía digital, la potencia informática no solo es un factor clave de productividad, sino que también se convertirá en un factor de aplicación universal. A medida que avanza la construcción de la infraestructura de potencia informática, surgen rápidamente nuevos modelos y formas comerciales de aplicaciones de potencia informática, que integran profundamente la potencia informática en más industrias, como la fabricación, el transporte, la educación, la industria aeroespacial, las finanzas y los medios de comunicación. Al mismo tiempo, la programación, la gestión y el comercio de la potencia informática se están convirtiendo en puntos focales de la exploración industrial. La potencia informática está evolucionando de un "recurso" a un "factor", convirtiéndose en una parte esencial de la producción y la vida de las personas.

 

El desarrollo de diversas industrias ha provocado una explosión en la demanda de potencia informática. Para maximizar el rendimiento del procesador, se requiere una mayor eficiencia de refrigeración, y la tecnología de refrigeración por aire tradicional ya no puede satisfacer las crecientes demandas de potencia informática. Los servidores con refrigeración líquida, con sus ventajas, están destinados a ganar una importante cuota de mercado e impulsar fuertemente el desarrollo de la industria.

 

 

Ⅲ Aumento significativo de la demanda de refrigeración líquida

 

En 2022, el consumo de energía de una sola CPU en los procesadores de servidor de cuarta generación de Intel superó los 350 vatios, y el consumo de energía de un solo chip de GPU de NVIDIA superó los 700 vatios. La densidad de potencia informática de los clústeres de IA generalmente alcanzó los 50 kW por gabinete, ¡y la tecnología de refrigeración por aire tradicional ya no puede hacer frente a esto! Se necesita una mayor eficiencia de refrigeración para maximizar el rendimiento del procesador.

 

Mientras tanto, desde una perspectiva de políticas, el inicio del proyecto "Datos del Este, Computación del Oeste" de China y los objetivos duales de carbono han hecho que la industria preste más atención a la conservación de energía, la reducción de emisiones y el desarrollo de alta calidad. Se han establecido requisitos técnicos más estrictos para la Eficacia del Uso de Energía (PUE) de los centros de datos, con la PUE promedio de los nuevos centros de datos grandes y supergrandes construidos en todo el país que se reducirá a menos de 1,3, y aún más a menos de 1,25 en los nodos centrales nacionales.

 

La refrigeración líquida satisface las necesidades de rentabilidad del mercado y de orientación política en muchos aspectos, incluida la eficiencia económica y el rendimiento de refrigeración, lo que la hace muy valiosa y económicamente beneficiosa. Según CCID Consulting, se espera que el mercado de IDC refrigerados por líquido de China supere los 120 mil millones de yuanes para 2025, con una tasa de crecimiento de más del 30% y una tasa de penetración actual de alrededor del 20%. La demanda de refrigeración líquida está aumentando significativamente y las perspectivas del mercado son prometedoras.

 

 

Ⅳ La cadena industrial de servidores de refrigeración líquida

 

1. Panorama de la industria de refrigeración líquida

La industria de servidores con refrigeración líquida abarca mucho más que simplemente servidores con refrigeración líquida; toda la cadena industrial es larga, con amplios subcampos y muchos actores participantes, lo que la convierte en una industria que requiere mucho capital.La tecnología de refrigeración líquida se encuentra actualmente en una etapa de rápido desarrollo, y si los actores relevantes tienen ventajas en financiación o adquisición de clientes, pueden construir ciertas barreras de entrada.

 

Las empresas de diversos subcampos se están infiltrando gradualmente en campos relacionados en función de sus ventajas principales y están construyendo sus propios ecosistemas. Según la división de la infraestructura a las aplicaciones, la industria de los centros de datos refrigerados por líquido se puede dividir en tres subcampos principales: infraestructura de refrigeración por líquido, industria intermedia y aplicaciones industriales.

 

El sector de infraestructura de refrigeración líquida proporciona los equipos y las instalaciones esenciales para la construcción de centros de datos refrigerados por líquido. Se divide en subcampos como gabinetes de refrigeración líquida, refrigerantes, sistemas de refrigeración, sistemas de energía, sistemas de red y sistemas de gestión de infraestructura de centros de datos. Estos subcampos suministran principalmente equipos, sistemas de software y refrigerantes para el funcionamiento de servidores. Además, el sector de infraestructura incluye contratistas de construcción, operadores de red y proveedores de energía. Los contratistas de construcción son responsables de la construcción e instalación de los equipos e instalaciones antes mencionados, los operadores de red proporcionan acceso básico a la red y los proveedores de energía proporcionan la electricidad necesaria para el funcionamiento de los equipos. Estas áreas proporcionan un entorno periférico relativamente básico para los centros de datos.

 

La industria intermedia incluye fabricantes de servidores, proveedores de alojamiento de centros de datos y algunos nuevos participantes. Los fabricantes de servidores investigan, diseñan y producen servidores adecuados para entornos de refrigeración líquida o producen directamente servidores refrigerados por líquido con placa fría. Los proveedores de alojamiento de centros de datos construyen y operan centros de datos, aprovechando sus propias ventajas para integrar recursos del sector de infraestructura y ofrecer servicios de alojamiento de servidores a los usuarios de aplicaciones. A medida que los centros de datos se desarrollan rápidamente, nuevas empresas ingresan al campo de los centros de datos refrigerados por líquido.

 

Los usuarios de las aplicaciones de los centros de datos se dividen principalmente en tres subcampos: computación en la nube y potencia de computación en la nube, Internet y blockchain, y otros usuarios. Son los principales usuarios de los centros de datos. Los proveedores de computación en la nube y potencia de computación en la nube generan ingresos al ofrecer a los clientes una asignación y programación flexible de potencia de computación a través de la virtualización. Algunas de las principales empresas de Internet y blockchain suelen construir centros de datos directamente en colaboración con los operadores de los centros de datos, mientras que otros usuarios generalmente alojan o alquilan directamente recursos de servidores o potencia de computación de los operadores de los centros de datos.

 

2. Panorama general de la industria de refrigeración líquida

En comparación con la refrigeración por aire, la tecnología de refrigeración líquida ofrece ventajas de alta estabilidad y alta eficiencia de refrigeración. Desde una perspectiva de aplicación integral, la refrigeración líquida revela gradualmente sus ventajas económicas cuando las densidades de potencia superan los 15 kW por gabinete.Aplicación UPSSegún una revista científica, la temperatura del núcleo de la CPU de los servidores refrigerados por líquido puede ser 20-30 grado inferior a la temperatura máxima en los sistemas refrigerados por aire, lo que mejora significativamente la confiabilidad.

 

Libro blanco de Intel,Prácticas de innovación en centros de datos ecológicos: referencia de diseño de sistemas de refrigeración líquida con placa fría, indica que los centros de datos refrigerados por aire pueden gestionar normalmente la refrigeración de armarios con niveles de potencia de hasta 12 kW. En el caso de armarios que superan los 15 kW, los centros de datos refrigerados por aire existentes han alcanzado el límite de sus capacidades de refrigeración por convección de aire. La tecnología de refrigeración líquida, que proporciona capacidades de refrigeración más sólidas, puede admitir densidades de potencia más altas.

 

En comparación con las soluciones de refrigeración por aire, la tendencia hacia la refrigeración líquida impulsada por AIGC y las iniciativas "Eastern Data, Western Computing" conducirá inevitablemente a un aumento tanto del volumen como del precio del mercado de control de temperatura de los centros de datos. La industria de servidores refrigerados por líquido sigue tres rutas tecnológicas: placa fría, inmersión y refrigeración por aspersión.La refrigeración líquida de placa fría implica un método de enfriamiento en el que el refrigerante no entra en contacto directo con los componentes que generan calor del servidor.

 

▲ Refrigeración por placa fría

 

▲ Sistema de enfriamiento por líquido en aerosol

 

▲ Refrigeración por inmersión en líquido monofásica

 

▲ Enfriamiento de dos fases

 

En cambio, los principales componentes generadores de calor están unidos a una placa fría, y el refrigerante circula dentro del sistema de refrigeración líquida interna de la placa fría para eliminar el calor. Para mejorar las capacidades de intercambio de calor, se debe maximizar el área de intercambio de calor, lo que requiere que la placa fría esté lo más cerca posible de la superficie de los componentes generadores de calor del servidor. Los componentes generadores de calor de forma irregular son difíciles de enfriar con este método. Solo los chips con formas relativamente regulares son adecuados para la refrigeración por placa fría.

 

Esto presenta un problema importante para las soluciones de refrigeración líquida con placa fría: aproximadamente el 30 % del calor del servidor, generado por otros componentes como el almacenamiento, la memoria y las fuentes de alimentación, aún requiere refrigeración por aire tradicional. Esto genera la necesidad de utilizar dos sistemas de refrigeración simultáneamente en las soluciones de refrigeración líquida con placa fría, lo que aumenta tanto los costos como la PUE real del sistema. La solución de placa fría actual es relativamente madura, con una base comercial sólida y ya ha tenido numerosas aplicaciones comerciales.

 

▲ Soluciones de refrigeración líquida con placa fría

 

La refrigeración líquida por inmersión se refiere a la inmersión completa del equipo del servidor en un refrigerante, donde la refrigeración se logra a través del contacto directo entre el refrigerante y los componentes que generan calor. En este método, los componentes que generan calor del servidor se sumergen completamente en el refrigerante, lo que permite un contacto suficiente con el refrigerante, que elimina continuamente el calor generado, enfriando así el servidor. La refrigeración por inmersión ofrece una mayor eficiencia de refrigeración, con el potencial de aumentar la densidad de potencia por gabinete en más de tres veces. Se espera que represente más del 40% del mercado para 2025, y es probable que los servidores refrigerados por líquido por inmersión total se conviertan en una tendencia tecnológica futura.

 

▲ Refrigeración líquida por inmersión

 

El sistema de refrigeración líquida por pulverización es una tecnología de refrigeración líquida por contacto directo diseñada para rociar con precisión el refrigerante sobre los componentes que generan calor de los servidores. El refrigerante se aplica directamente a los dispositivos que generan calor o a los materiales conductores térmicos sólidos conectados a ellos, ya sea por gravedad o por presión del sistema. Este proceso permite el intercambio de calor para enfriar el servidor. Durante el intercambio de calor, el nivel de refrigerante dentro del servidor se mantiene por debajo de los componentes que generan calor o de los materiales conductores térmicos sólidos conectados a ellos. El sistema utiliza unidades de intercambio de calor externas para enfriar y reciclar el refrigerante.

 

 

3. Panorama del mercado de refrigeración líquida

Como tecnología avanzada, la refrigeración líquida abarca múltiples disciplinas y campos, con altas barreras técnicas.

Actualmente, la adopción de la tecnología de refrigeración líquida entre los fabricantes de infraestructura de centros de datos nacionales e internacionales sigue siendo relativamente baja y pocas empresas dominan esta tecnología.

 

Sin embargo, varias empresas, tanto nacionales como internacionales, han comenzado a ofrecer soluciones de refrigeración líquida personalizadas a sus clientes, y algunas empresas tecnológicas están construyendo e implementando gradualmente sus propios centros de datos refrigerados por líquido. A pesar de esto, la tasa de adopción de la tecnología de refrigeración líquida entre los fabricantes de infraestructuras de centros de datos sigue siendo baja, y el mercado aún no ha visto el surgimiento de líderes dominantes, lo que deja el panorama competitivo aún incierto.

 

En el mercado chino, algunas empresas han demostrado, a través de años de acumulación tecnológica y experiencia, importantes ventajas técnicas y de mercado, y se espera que en el futuro las empresas líderes dominen el mercado, formando un panorama competitivo donde los principales actores tengan una participación de mercado significativa.

 

4. Refrigeración líquida a nivel de chip

Reducir la distancia entre los equipos de refrigeración líquida y las fuentes de calor principales, como los chips, es una tendencia importante. En el futuro, se espera que la refrigeración evolucione desde el nivel de la sala, el nivel del gabinete y el nivel del servidor hasta el nivel del chip, logrando una mejor refrigeración del chip a través del contacto directo entre los componentes de refrigeración y la superficie del chip. Los refrigeradores líquidos disipan el calor alejando grandes cantidades de calor a través de la fricción entre el flujo de líquido y la superficie interna del radiador. En comparación con los sistemas de refrigeración por aire convencionales, la refrigeración líquida puede mejorar significativamente la eficiencia de refrigeración. Actualmente, la tecnología de refrigeración líquida se divide principalmente en tipos indirectos y directos.

 

Según los últimos datosSeguimiento semestral del mercado de servidores de refrigeración líquida de China (segundo semestre de 2022)Según un informe publicado por International Data Corporation (IDC), el mercado chino de servidores de refrigeración líquida alcanzó los 1.010 millones de dólares en 2022, lo que representa un crecimiento interanual del 189,9 %. IDC predice que, de 2022 a 2027, la tasa de crecimiento anual compuesta del mercado de servidores de refrigeración líquida de China alcanzará el 56,6 %, y se espera que el tamaño del mercado alcance los 9.500 millones de dólares en 2027, lo que indica un futuro brillante para la industria de la refrigeración líquida.

 

 

▲ Pronóstico del mercado de servidores refrigerados por líquido en China de 2023 a 2027