¿Es la refrigeración líquida la solución de refrigeración definitiva para los servidores de IA?
Aug 20, 2024
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I La refrigeración por aire tradicional está sobrecargada; surge la tecnología de refrigeración líquida
Los tres pilares de la IA son los chips, la potencia informática y los algoritmos. Los chips y la potencia informática son los impulsores de la productividad y, para lograr una potencia informática extraordinaria, las personas buscan continuamente procesadores más rápidos y hardware más eficiente. A medida que aumenta la potencia informática de la IA y mejora el rendimiento de las CPU y GPU, el consumo de energía de los chips y la generación de calor aumentan en consecuencia. Por ejemplo, los chips GPU de la serie H200 de NVIDIA tienen una TDP (potencia de diseño térmico) de hasta 700 W.
La refrigeración por aire tradicional tiene sus límites. El principio de la refrigeración por aire es dejar que el aire fluya sobre la superficie de los disipadores de calor para disipar el calor. Actualmente, los mejores refrigeradores de aire del mercado pueden soportar hasta 275 W de potencia. La refrigeración por aire tradicional ya no puede satisfacer los requisitos de refrigeración de los servidores de IA convencionales.
Ha surgido la tecnología de refrigeración líquida. El principio de la refrigeración líquida consiste en hacer circular un refrigerante líquido dentro del servidor, absorbiendo el calor de los componentes que lo generan mediante intercambio térmico. La refrigeración líquida ofrece una mayor eficiencia de refrigeración y permite un control preciso del refrigerante para adaptarse a diferentes entornos de trabajo, aunque conlleva unos costes más elevados.
La refrigeración líquida ha obtenido reconocimiento oficial. En junio de 2023, los tres principales operadores de telecomunicaciones de China publicaron conjuntamente el "Libro blanco sobre tecnología de refrigeración líquida para operadores de telecomunicaciones (2023)", que promueve claramente dos rutas técnicas: refrigeración líquida de placa fría y refrigeración líquida de inmersión monofásica. También describieron un plan de promoción para 2023-2025:
▲ Un plan de promoción para 2023-2025
II ¿Qué es la refrigeración líquida?
La refrigeración líquida es un método de refrigeración que utiliza líquido como refrigerante para transferir el calor generado por los componentes internos de los equipos de TI en los centros de datos al exterior, lo que garantiza que las partes generadoras de calor de los equipos de TI funcionen dentro de un rango de temperatura seguro. Las principales soluciones de refrigeración líquida se dividen principalmente en tipos de placa fría e inmersión. La refrigeración líquida por inmersión se puede dividir a su vez en refrigeración por inmersión con cambio de fase y refrigeración por inmersión sin cambio de fase, según si el refrigerante sufre un cambio de fase.
▲ Tecnología de refrigeración líquida
La refrigeración líquida por placa fría funciona mediante un disipador de calor hecho de metales como el cobre o el aluminio, que tienen una buena conductividad térmica. El calor generado por los componentes se transfiere al refrigerante líquido dentro del disipador de calor, que luego lo elimina.
La refrigeración líquida por inmersión es un método de refrigeración líquida por contacto directo en el que los equipos informáticos, como los servidores (incluidas las CPU, la memoria, las E/S, etc.), se sumergen completamente en el líquido refrigerante. La refrigeración se produce mediante la circulación del líquido. La tecnología de refrigeración por inmersión por cambio de fase, que se está desarrollando rápidamente, funciona enfriando los componentes que generan calor, lo que hace que el refrigerante se vaporice y luego condense el vapor nuevamente en forma líquida para su reutilización. Este método ofrece una mayor eficiencia de refrigeración y menos ruido.
III ¿Deberían sustituirse todas las soluciones de refrigeración de servidores por refrigeración líquida?
Obviamente no. Los métodos de refrigeración de los centros de datos incluyen tanto la refrigeración por aire forzado como la refrigeración por líquido. Si bien la tecnología de refrigeración por aire es relativamente madura, la refrigeración por líquido es un requisito más nuevo impulsado por las mayores necesidades de refrigeración de los centros de datos en los últimos años.
Actualmente, los centros de datos cuentan principalmente con tres soluciones de refrigeración:
1. Diseñar nuevos centros de datos que dependan exclusivamente de refrigeración líquida, creando centros de datos más pequeños y eficientes con una enorme potencia informática.
2. Diseñar centros de datos que utilicen principalmente refrigeración por aire pero que incluyan opciones de refrigeración líquida para simplificar futuras transiciones.
3. Los operadores de centros de datos que integran refrigeración líquida en instalaciones refrigeradas por aire existentes, a menudo convirtiendo parcialmente los sistemas de refrigeración por aire a refrigeración líquida.
▲ Métodos de enfriamiento recomendados para diferentes tipos de centros de datos
IV ¿A qué desafíos se enfrenta la refrigeración líquida?
1. Cuestiones de costes
El costo de los sistemas de refrigeración líquida incluye altos costos de materiales (refrigerante, disipadores de calor, tuberías, etc.), así como la complejidad del diseño y fabricación, altos costos de instalación y mantenimiento, y la necesidad de mayores inversiones para lograr una alta confiabilidad.
2. Problemas de confiabilidad
Estabilidad:La estabilidad química del refrigerante líquido puede ser insuficiente, lo que provoca degradación, oxidación o producción de sustancias nocivas durante el uso, lo que afecta el efecto de enfriamiento y la estabilidad del sistema.
Fuga:En caso de fugas de líquido, bloqueos de tuberías u otros incidentes, los sistemas de enfriamiento líquido indirecto existentes pueden no detectar fallas a tiempo, lo que compromete la seguridad del servidor.
Compatibilidad:Es posible que algunos equipos del centro de datos no sean adecuados para sistemas de refrigeración líquida, lo que requiere adaptación y modificación adicionales.
V ¿Cuáles son las industrias upstream y downstream en refrigeración líquida?
El ecosistema de la industria de refrigeración líquida incluye proveedores de componentes ascendentes, proveedores de servidores refrigerados por líquido intermedios y usuarios de potencia informática descendentes, con un enfoque en sistemas de refrigeración líquida de inmersión y placa fría.
▲ Principio del sistema de enfriamiento líquido de placa fría
▲ Principio del sistema de enfriamiento por líquido de inmersión
1. Aguas arriba
▲ Aguas arriba del sistema de enfriamiento líquido de placa fría
El sistema de refrigeración líquida de placa fría se compone principalmente de una unidad de almacenamiento central (CDU), una fuente de frío, un refrigerante, tuberías de refrigeración líquida y un gabinete de refrigeración líquida. El sistema de refrigeración líquida por inmersión se compone principalmente de una CDU, una fuente de frío, tuberías de refrigeración líquida, una cámara de inmersión, un equipo informático y un refrigerante.
Unidad de distribución de refrigeración (CDU)
La CDU se utiliza para el intercambio de calor entre el refrigerante de alta temperatura en el lado secundario y la fuente de frío en el lado primario, proporcionando distribución de refrigeración para equipos informáticos refrigerados por líquido y gestionando la temperatura, la presión y el control del caudal. Tiene funciones como intercambio de calor, conducción de circulación, purificación del refrigerante y almacenamiento de líquido. La CDU consta principalmente de un intercambiador de calor/condensador, una bomba de circulación, un filtro, un tanque de almacenamiento de líquido y accesorios (válvulas, tuberías, conectores, sensores, etc.).
Fuente de frío
La fuente de frío exterior del sistema de enfriamiento líquido se puede seleccionar en función de las condiciones de los enfriadores secos, las torres de enfriamiento cerradas o los enfriadores.
Tuberías de refrigeración líquida
Las tuberías son componentes necesarios que conectan la placa de frío de intercambio de calor, la unidad de distribución de refrigeración, la unidad de intercambio de calor y la fuente de frío exterior. En general, las tuberías de circulación se pueden dividir en tipos de conexión directa (asincrónica) y conexión en bucle (sincrónica) según sus diferentes métodos de conexión.
Refrigerante
Los refrigerantes comunes para sistemas de placa fría incluyen agua, etilenglicol, propilenglicol, etc. Estos refrigerantes tienen una alta capacidad calorífica específica y baja viscosidad, lo que les permite absorber rápidamente el calor generado por el equipo y transferirlo al intercambiador de calor para su disipación.
Los refrigerantes de inmersión (aislantes) más comunes incluyen aceite mineral, compuestos de fluorocarbono, etc. Entre ellos, el enfriamiento por cambio de fase solo puede utilizar compuestos de fluorocarbono no inflamables. La compatibilidad entre el medio refrigerante y los materiales de los diversos componentes es uno de los factores clave que afectan el rendimiento del sistema de enfriamiento líquido por inmersión con cambio de fase.
Actualmente, existen pocos tipos de líquidos fluorados disponibles para el enfriamiento por inmersión por cambio de fase, y el principal proveedor es 3M. El enfriamiento por inmersión por líquido en China todavía está en sus inicios.
Cámara sellada
La cámara se utiliza para contener el refrigerante de cambio de fase. La cámara debe estar sellada en la placa fría, las tuberías, los conectores y otras partes para garantizar la seguridad sin fugas, asegurando así la integridad de la transmisión de energía y señal y la seguridad del centro de datos. Por lo tanto, se requieren componentes de sellado personalizados, como juntas de goma, conectores de salida de líquido, conectores de energía, conectores de señal, etc.
Gabinete de refrigeración líquida
El gabinete de enfriamiento de líquido consta principalmente de una placa de enfriamiento de líquido, colector, tuberías, conectores, conectores rápidos, distribuidor de líquido y compresor opcional.
La placa de refrigeración líquida actúa como una unidad de transferencia de calor, equivalente al evaporador en un sistema de refrigeración, y es una tecnología clave diseñada para el sistema de refrigeración. Generalmente consta de una placa de cubierta, aletas, placa base y sello.
El colector es un dispositivo que conecta la unidad de distribución de refrigeración a la placa fría del servidor de refrigeración líquida. Generalmente, está integrado en el gabinete y distribuye uniformemente el flujo de refrigerante a cada capa de la placa fría y recoge el refrigerante después de que absorbe calor, enviándolo a través de tuberías de conexión a la unidad de distribución de refrigeración.
El conector rápido consta de un cuerpo principal y un terminal final. El cuerpo principal es la unidad principal para lograr las funciones de conexión y sellado del conector rápido de líquido, mientras que el terminal final sirve como puerto de instalación para montar y asegurar el conector rápido de líquido.
Sistema de control
El sistema de control monitorea y regula el funcionamiento del sistema de enfriamiento, incluidos sensores de temperatura y presión, que miden la disipación de calor y ajustan la velocidad de la bomba o el caudal del refrigerante.
Dispositivos de filtración y purificación
Los filtros se utilizan para eliminar los residuos y las partículas del refrigerante líquido, lo que garantiza el rendimiento y la longevidad del sistema. Métodos como la esterilización por rayos UV o el tratamiento químico pueden purificar el refrigerante.
2. A mitad de camino
El segmento intermedio está formado principalmente por sistemas de refrigeración líquida, en los que los componentes clave, como radiadores, bombas, tuberías y refrigerantes, están integrados en un único sistema. Estas empresas requieren un cierto nivel de experiencia técnica y capacidad de producción para garantizar la calidad y el rendimiento del producto.
3. Aguas abajo
Entre los usuarios finales de la potencia informática se incluyen centros de datos, supercomputadoras, servidores de IA, dispositivos electrónicos, vehículos de nueva energía, láseres, inversores y otros equipos industriales. La tecnología de refrigeración líquida se utiliza incluso en el campo aeroespacial. Debido a sus características de refrigeración de alta eficiencia, los centros de datos refrigerados por líquido y su infraestructura se aplican principalmente en campos de computación de alto rendimiento. En la actualidad, las industrias que utilizan la tecnología de refrigeración líquida incluyen Internet, las finanzas, las telecomunicaciones, la energía, la biología y la atención médica.
Entre ellos, Internet es el cliente principal de los centros de datos refrigerados por líquido, con una demanda de datos significativa, una amplia base de usuarios y grandes volúmenes de negocio. Los requisitos de potencia informática de los centros de datos son elevados, con densidades de potencia por armario que superan los 10 kW.
VI ¿En qué etapa se encuentra la industrialización de la refrigeración líquida?
Actualmente, se han completado en su mayor parte varias validaciones de centros de datos refrigerados por líquido, y en los próximos tres años se verá la expansión de la tecnología de refrigeración por líquido a gran escala. En el frente técnico, la refrigeración por placas frías sigue siendo la solución de refrigeración por líquido principal en el mercado; en el frente del desarrollo industrial, el modelo de entrega de pila completa, desde la infraestructura hasta el equipo de IA, se ha convertido en un consenso en la industria; en el frente del cliente, los sectores de Internet y telecomunicaciones, los dos clientes de aplicaciones de la industria de centros de datos más grandes, han mostrado un reconocimiento positivo de la tecnología de refrigeración por líquido.
Según el informe semestral de 2023 divulgado por empresas relevantes de la industria, sus centros de datos refrigerados por líquido han acumulado más de 260 MW de capacidad, involucrando múltiples industrias como tecnología, energía, gobierno, finanzas e Internet.
VII ¿Qué tan grande es el mercado de refrigeración líquida con IA?
Según datos de Caitong Securities, el tamaño del mercado de los centros de datos refrigerados por líquido de China crecerá de 6.999 millones de yuanes en 2022 a más de 35.877 millones de yuanes en 2025, y el tamaño del mercado de refrigeración líquida para centros de datos con IA aumentará de 5.552 millones de yuanes en 2022 a 27.964 millones de yuanes en 2025, lo que representa una tasa de crecimiento anual compuesta del 76,2 %. Según la clasificación de productos, se espera que los productos de refrigeración líquida por inmersión, con su mayor eficiencia de refrigeración y la capacidad de reducir eficazmente la PUE (efectividad del uso de energía) de los centros de datos, capturen una mayor participación de mercado, creciendo del 18 % en 2019 (los productos de refrigeración líquida de placa fría representan el 82 %) al 41 % en 2025.
A medida que el mercado demanda una mayor refrigeración y eficiencia energética para la infraestructura de los centros de datos, la industria predice que la tasa de penetración de los productos de refrigeración líquida alcanzará el 20 % para 2025, con una participación de mercado en constante expansión. ¡La primavera de las aplicaciones a gran escala para servidores refrigerados por líquido con IA se acerca silenciosamente!
VIII ¿Cuáles son las empresas de refrigeración líquida más conocidas?
Los principales actores en el mercado de enfriamiento líquido de placa fría en el extranjero incluyen a IBM, CoolIT Systems, Asetek y Motivair, mientras que los principales actores en el mercado de enfriamiento líquido por inmersión son GRC, LiquidStack y Midas.