Răcire cu lichid - Tehnologia de răcire de ultimă generație pentru centre de date și clustere de servere

 

I Prezentare generală a industriei de răcire cu lichid

 

1. Istoricul dezvoltării răcirii cu lichid

În ceea ce privește istoria serverelor răcite cu lichid, IBM a devenit în 1967 primul care a dezvoltat computerul System360 cu un sistem de răcire cu apă rece.

 

Deși industria chineză de răcire cu lichid s-a dezvoltat relativ târziu, tehnologia sa a avansat rapid. În 2011, Sugon a fost pionier în industria răcirii cu lichid în China. În următorii cinci ani, companii chineze precum Huawei, Inspur și Sugon au început să intre pe piață și să intensifice producția. Din 2019, tehnologia de răcire cu lichid a făcut progrese semnificative în rândul producătorilor importanți.

 

▲ Istoricul dezvoltării industriei răcirii lichide în țară și în străinătate

 

2. Lanțul industrial al serverelor răcite cu lichid

Ecosistemul industriei de răcire cu lichid cuprinde sectoarele din amonte, midstream și din aval, inclusiv furnizori de componente din amonte, furnizori de servere midstream răcite cu lichid și utilizatori cu putere de calcul din aval.

În amonte: în principal componente de produs și furnizori de echipamente de răcire cu lichid, cum ar fi conectori rapidi, CDU-uri, supape solenoide, rezervoare de răcire cu lichid de imersie, colectoare și lichide de răcire.

 

Midstream:În principal producători de servere și cipuri răcite cu lichid, precum și instalații, module și dulapuri integrate de răcire cu lichid.

 

în aval:Include cei trei mari operatori de telecomunicații, companii de internet precum Baidu, Alibaba, Tencent și JD, precum și clienți din industria informației pentru aplicații de telecomunicații, internet, guvern, finanțe, transport și energie.

 

▲ Pieptănarea lanțului industrial pentru server de răcire cu lichid

 

 

II Concepte de bază ale răcirii cu lichid

 

1. Clasificarea tehnologiei de răcire cu lichid

Răcirea cu lichid folosește lichid ca lichid de răcire, circulând pentru a transfera căldura de la componentele interne ale echipamentelor IT din centrele de date către exterior, asigurând o funcționare în siguranță.

 

Avantajele răcirii cu lichid:Oferă eficiență și densitate de căldură ultra-înaltă, disipează eficient căldura și nu este afectat de altitudine, geografie sau temperatură.

 

În prezent, există trei tipuri principale de tehnologie de răcire cu lichid: răcire cu lichid pe placă rece, răcire prin pulverizare și răcire cu lichid prin imersie.

 

▲ Clasificarea tehnologiilor de răcire cu lichid

 

2. Comparație a trei tehnologii de răcire cu lichid - răcire cu lichid pe placă rece

Răcirea cu lichid pe placă rece utilizează o cavitate închisă făcută din metale conductoare termic (cum ar fi cuprul sau aluminiul) pentru a transfera indirect căldura de la componentele generatoare de căldură la lichidul de răcire care circulă într-o buclă închisă. Sistemul constă de obicei dintr-un turn de răcire, CDU, conducte primare și secundare de răcire cu lichid, lichid de răcire și dulapuri răcite cu lichid. Dulapurile răcite cu lichid conțin componente precum plăci reci, conducte interne, conectori pentru fluid și colectoare.

 

Răcirea cu lichid cu plăci reci, ca metodă de răcire cu lichid fără contact, are mai mult de 10 ani de cercetare în spate și este cea mai matură tehnologie dintre cele trei soluții principale de răcire cu lichid. Este o aplicație eficientă pentru implementarea echipamentelor de mare putere, îmbunătățirea eficienței energetice, reducerea costurilor operaționale de răcire și reducerea costului total de proprietate (TCO). Cu toate acestea, deoarece nu realizează 100% răcire cu lichid, este mai puțin eficient atunci când consumul de energie din cabinet este scăzut sau proporția de răcire cu lichid este minimă. În plus, proiectarea plăcilor reci trebuie să ia în considerare configurațiile existente ale componentelor, făcând proiectarea și implementarea structurale mai complexe, iar standardizarea mai dificil de promovat.

 

▲ Diagrama de principiu a sistemului de răcire cu lichid cu placă rece

 

3. Comparația a trei tehnologii de răcire cu lichid - răcire cu lichid prin imersie

Răcirea prin imersie lichidă implică scufundarea completă a componentelor generatoare de căldură într-un lichid de răcire, permițând contactul direct între componente și lichidul de răcire pentru schimbul de căldură. Componentele exterioare ale sistemului includ un turn de răcire, o conductă primară și un lichid de răcire primar, în timp ce componentele interioare includ un CDU, o cameră de imersie, un echipament IT, o conductă secundară și un lichid de răcire secundar. Deoarece echipamentul IT este complet scufundat în lichidul de răcire secundar, trebuie utilizate lichide neconductoare, cum ar fi uleiul mineral, uleiul de silicon sau lichidele fluorurate.

 

Pe baza faptului că există o schimbare de fază în timpul schimbului de căldură, răcirea cu lichid prin imersie poate fi împărțită în două tipuri:

 

1) Răcire cu imersie monofazată:Lichidul de răcire secundar suferă doar o schimbare de temperatură în timpul transferului de căldură, fără o schimbare de fază, iar căldura este transferată în întregime prin căldură sensibilă.

2) Răcire prin imersie în două faze:Lichidul de răcire secundar suferă o schimbare de fază în timpul transferului de căldură, folosind căldura latentă pentru a transfera căldura.

 

În comparație cu răcirea tradițională cu aer și răcirea cu lichid pe placă rece, răcirea cu lichid prin imersie oferă avantaje precum economii de energie (PUE < 1,13), compactitate, fiabilitate ridicată și zgomot redus. Cu toate acestea, se confruntă, de asemenea, cu provocări, cum ar fi limitări ale selecției componentelor, restricții de întreținere și cerințe specifice pentru mediul camerei.

 

▲ Răcire prin imersie în două faze

 

4. Comparație a trei tehnologii de răcire cu lichid - răcire prin pulverizare

Răcirea prin pulverizare este o metodă de contact direct în care lichidul de răcire este pulverizat cu precizie pe componentele la nivelul așchiilor prin gravitație sau presiunea sistemului, răcind componentele generatoare de căldură sau elementele conductoare termic conectate la acestea. Sistemul constă de obicei dintr-un turn de răcire, CDU, conducte primare și secundare de răcire cu lichid, lichid de răcire și dulapuri răcite cu pulverizare. Dulapurile răcite cu pulverizare conțin de obicei un sistem de conducte, un sistem de distribuție a lichidului, module de pulverizare și un sistem de retur.

 

Răcirea prin pulverizare realizează, de asemenea, răcire lichidă 100%, iar structura sa este mai inovatoare decât răcirea prin imersie. Cu toate acestea, performanța sa de economisire a energiei este inferioară răcirii cu lichid prin imersie și are limitări similare cu răcirea prin imersie.

 

▲ Răcire prin pulverizare

 

5. Comparația a trei tehnologii de răcire cu lichid

 

▲ Comparație a metodelor de răcire cu lichid din centrul de date

 

 

III Motorii dezvoltării industriei de răcire cu lichid

 

1. Creșterea volumelor de date conduce la îmbunătățirea continuă a puterii de calcul

Volumul global de date și puterea de calcul cresc rapid. Potrivit datelor IDC, sfera globală de date a atins 103,66 ZB în 2022, în timp ce volumul de date al Chinei va crește de la 23,88 ZB în 2022 la 76,6 ZB în 2027, cu un CAGR de 26,3%, potențial fiind cea mai rapidă rată de creștere la nivel mondial. IDC prezice că în următorii trei ani, noile date globale generate vor depăși totalul datelor create în ultimii 30 de ani, ceea ce duce la o creștere exponențială a puterii de calcul necesare pentru stocarea, transmiterea și procesarea datelor.

 

Actualizarea inteligentă a puterii de calcul devine o tendință, calculul inteligent conducând cea mai mare parte a creșterii. Cererea de procesare a unor volume mari de date complexe determină nevoia de resurse de calcul mai puternice și mai eficiente pentru a sprijini dezvoltarea aplicațiilor de inteligență artificială. Drept urmare, infrastructura de calcul este construită într-un ritm mai rapid, devenind „fundația” pentru sprijinirea dezvoltării economiei digitale. Cererea de capabilități de date și putere de calcul se consolidează reciproc. IDC prezice că puterea de calcul inteligentă a Chinei va continua să crească rapid, atingând 1.117,4 EFLOPS până în 2027, cu un CAGR de 33,9% din 2022 până în 2027.

 

▲ Scala globală a volumului de date și prognoză

 

2. Saltul înainte al AIGC determină o creștere a cererii de putere de calcul

Odată cu evoluția continuă a modelelor și a algoritmilor, scara și complexitatea parametrilor au crescut semnificativ, rezultând cerințe mai mari de putere de calcul. Apariția unor modele generative mari, reprezentate de ChatGPT și GPT-4, a determinat o dezvoltare rapidă în domeniul AIGC, conducând și mai mult la creșterea cererii de putere de calcul.

 

Partea de antrenament: modelul GPT-3 conține aproximativ 174,6 miliarde de parametri, iar antrenamentul o dată necesită aproximativ 3.640 de zile PF (funcționând timp de 3.640 de zile la 10 petaflopi pe secundă). Numărul de parametri în GPT-4 ar putea crește la 1,8 trilioane, cererea de instruire crescând la 68 de ori mai mare decât cea a GPT-3, necesitând 90-100 zile de antrenament pe 25,{{16} } GPU-uri A100.

Partea inferenței: pentru GPT-3, conform estimărilor Tianyi Think Tank, cererea de calcul pentru generarea a 500 de jetoane (aproximativ 350 de cuvinte) ajunge la 1,75 PFLOPS.

 

▲ Evoluția parametrilor mari de model (2018-2023)

3. Piața centrelor de date continuă să se extindă

Ca parte importantă a noii infrastructuri, în ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a lanțului industriei de inteligență artificială și aplicații de date, construcția de centre de date în China a accelerat, iar numărul de rafturi pentru centre de date a crescut constant. Pe baza unui rack standard de 2,5 kW, numărul de rack-uri pentru centre de date în uz din China a ajuns la 5,2 milioane în 2021. Dintre acestea, numărul de rack-uri la scară largă a crescut și mai repede, ajungând la 4,2 milioane, reprezentând 80%. Până la sfârșitul anului 2022, numărul total de rafturi de centre de date din China se apropia de 6 milioane, clasându-se printre primele la nivel global. Este de așteptat ca până în 2023, numărul de rafturi pentru centre de date din China să ajungă la 7,76 milioane, iar dimensiunea pieței centrelor de date ajungând la 247 miliarde RMB.

 

▲ Tendința de estimare a numărului total de rafturi pentru centre de date din China (2017-2023) (Unitatea 10, 000 rafturi)

 

4. Problemele legate de consumul de energie și disiparea căldurii în centrele de date devin din ce în ce mai importante

Odată cu creșterea numărului de centre de date, consumul lor de energie electrică a crescut și el. Conform statisticilor relevante, în 2021, centrele de date din China au consumat 216,6 miliarde kWh și este de așteptat să depășească 380 miliarde kWh până în 2030. În același timp, scara în creștere rapidă a centrelor de date exacerbează provocările legate de disiparea căldurii:

 

Nivel general:Centrele de date tradiționale au costuri enorme cu energia, cu o proporție mare a consumului de energie atribuită răcirii. Centrele de date au consumat multă vreme de energie, consumul de energie electrică din centrele naționale de date reprezentând aproximativ 2%-3% din consumul total de energie electrică. Până în 2030, consumul de energie electrică din centrul de date este de așteptat să depășească 380 de miliarde de kWh, cu emisiile de carbon depășind 200 de milioane de tone. În același timp, centrele de date tradiționale suportă costuri semnificative de răcire. Potrivit „Uptime Institute Global Data Center Survey Report 2022”, eficiența consumului de energie (PUE) medie anuală a eșantioanelor globale de centre de date în 2022 a fost de 1,55, iar din 2014, PUE anual mediu a rămas între 1.{{12} }.65, indicând faptul că consumul de energie legat de răcire reprezintă 35%-39%.

 

Nivel micro:Creșterea densității de calcul se confruntă cu provocări de răcire. Îmbunătățirea performanței de calcul crește consumul de energie și densitatea termică a serverului, iar răcirea tradițională cu aer nu mai poate satisface nevoile de disipare a căldurii ale dispozitivelor electronice cu densitate termică ridicată. Pe măsură ce legea lui Moore se estompează, oamenii îmbunătățesc continuu raportul de eficiență energetică a cipurilor și sistemelor prin tehnologii precum calculul eterogen, dar acest lucru a dus și la o creștere rapidă a consumului de energie al cipurilor individuale. În prezent, cipurile de procesor mainstream au un consum de energie de aproximativ 200 W, unele procesoare nou lansate depășesc 350 W, iar cipurile de accelerație eterogene precum GPGPU-urile au depășit chiar și 700 W. În acest context, răcirea tradițională cu aer nu mai este suficientă pentru a satisface nevoile de răcire, iar centrele de date și serverele necesită tehnologii de răcire mai eficiente pentru a aborda problemele de disipare a căldurii de mare putere, densitate termică ridicată și densitate de calcul ridicată. cipuri și sisteme.

 

Nivel micro:Temperaturile ridicate au un impact negativ asupra componentelor electronice. În medii cu temperatură ridicată, materialele mașinii, izolația firelor și etanșările impermeabile sunt mai predispuse la îmbătrânire, creând pericole pentru siguranță. Mai mult de jumătate din defecțiunile componentelor electronice sunt cauzate de temperaturi ridicate. Când temperatura componentelor semiconductoare crește cu 10 grade, curentul de scurgere inversă se dublează, crescând riscul de incendiu și făcând incidente de siguranță mai probabile, ceea ce poate duce la paralizia centrului de date.

 

5. Creșterea rapidă a densității de putere pentru un singur rack necesită o revoluție a răcirii în centrele de date

Limitată de zona de construcție a centrelor de date și de reglementările de mediu, creșterea densității de putere a unui singur rack a devenit o soluție cheie pentru a reconcilia cererea tot mai mare de putere de calcul cu capacitatea limitată a centrelor de date. Conform datelor publicate de Colocation America, în 2020, puterea medie globală a centrelor de date cu un singur rack a ajuns la 16,5 kW, o creștere cu 175% față de 2008. Potrivit CCID Consulting, odată cu creșterea rapidă a puterii de calcul a centrelor de date, rafturile unice de putere vor deveni larg răspândite. Este de așteptat ca până în 2025, puterea medie globală a centrelor de date pentru un singur rack să ajungă la 25 kW.

 

Tehnologia de răcire cu lichid, cu efectul său de răcire extrem de eficient, poate îmbunătăți semnificativ eficiența și stabilitatea serverelor, permițând în același timp aranjarea mai multor servere într-un anumit spațiu al centrului de date, îmbunătățind astfel eficiența operațională a centrului de date.

 

▲ Corespondența dintre densitatea rack-urilor și metodele de răcire

 

 

IV Perspectiva pieței de răcire cu lichid și aplicație

 

1. Piața serverelor de răcire cu lichid din China este de așteptat să atingă 8,9 miliarde USD până în 2027

Pe măsură ce dezvoltarea ecologică a centrelor de date devine o tendință, iar competiția în domeniul inteligenței artificiale se intensifică, ceea ce duce la un salt în cererea de putere de calcul de înaltă performanță, piața serverelor de răcire cu lichid din China a cunoscut o creștere explozivă în ultimii ani.

 

Potrivit datelor IDC, amploarea pieței de servere de răcire cu lichid din China a atins 1,01 miliarde de dolari în 2022, o creștere de la an la an de 189,9%. În 2023, se așteaptă ca piața să mențină o creștere rapidă, dimensiunea pieței fiind proiectată să ajungă la 1,51 miliarde USD. Până în 2027, dimensiunea pieței de servere de răcire cu lichid din China este de așteptat să ajungă la 8,9 miliarde de dolari.

 

▲ Dimensiunea pieței și prognoza serverelor de răcire cu lichid din China (unitate: 100 milioane USD)

 

2. Structura aplicațiilor industriale a centrelor de date de răcire cu lichid din China

În combinație cu răcirea cu aer, centrele de date cu răcire lichidă permit dezvoltarea diferitelor industrii. În viitor, piața de răcire a centrelor de date va vedea un model de dezvoltare colaborativă de „răcire cu aer + răcire lichidă”. Tehnologia de răcire cu aer nu va fi complet înlocuită cu răcirea lichidă, ci va fi selectată în funcție de diferitele nevoi ale clienților, cu soluții diferite de răcire pentru centrele de date.

 

În 2019, centrele de date cu răcire cu lichid au fost utilizate în principal în aplicații reprezentate de supercalculatură. Pe măsură ce volumele de afaceri ale industriilor internet, finanțe și telecomunicații cresc rapid, cererea de răcire lichidă în centrele de date din aceste industrii va continua să crească. Se estimează că până în 2025, centrele de date cu răcire lichidă vor reprezenta 24,0% din industria internetului, 25,0% din industria financiară și 23,0% din industria telecomunicațiilor. Între timp, industrii precum energia, biotehnologia, asistența medicală și guvernul vor vedea o accelerare a integrării centrelor de date cu răcire lichidă în noul ecosistem de centre de date de uz general, cu o ușoară scădere a scarii generale. Este de așteptat ca până în 2025, centrele de date cu răcire lichidă să reprezinte 10,5% din industria energetică, 8,5% din industria biotehnologiei, 6,5% din industria sănătății și alte afaceri, cum ar fi guvernul, să scadă la 2,5%.

 

▲ Structura și prognoza aplicațiilor din industrie pentru centrele de date de răcire cu lichid din China (2019-2025)

 

3. Peisajul competitiv al pieței de servere de răcire cu lichid din China: Sugon conduce, urmat de Huawei, Alibaba și alții

Producătorii autohtoni, conduși de Sugon, au acumulat o experiență comercială substanțială și, pe baza veniturilor din produs, cotei de piață, feedback-ului clienților și alți indicatori, Sugon este un lider cheie pe piață, Huawei, Alibaba și Lenovo urmând îndeaproape. IBM China este poziționat ca un potențial challenger.

 

Industria serverelor de răcire cu lichid din China are bariere tehnice ridicate, iar primii care mișcă au un avantaj. În prezent, marii producători autohtoni se află încă în faza experimentală sau inițială de aplicare a tehnologiei de răcire cu lichid, iar peisajul competitiv nu a fost încă clar definit. În plus, din cauza preocupărilor legate de securitatea datelor, există anumite bariere geografice în calea furnizării infrastructurii centrelor de date în China, ceea ce face dificilă intrarea producătorilor străini pe piața chineză.

 

▲ Matricea de competitivitate a furnizorilor de centre de date de răcire cu lichid din China (2020)

 

4.Operatori TelecomPropuneo viziune de trei ani pentru răcirea cu lichid în centrele de date

În calitate de lideri din industrie în sectorul centrelor de date, cei trei mari operatori de telecomunicații sunt în fruntea explorării și aplicării tehnologiei de răcire cu lichid. În iunie 2023, cei trei mari operatori au lansat împreună „Cartea albă privind tehnologia de răcire cu lichid pentru operatorii de telecomunicații (2023)” și au conturat o viziune pe trei ani și o foaie de parcurs pentru aplicațiile de răcire cu lichid.

 

Scopul general al viziunii de trei ani este de a reuni forțele industriei, de a aborda provocările, de a construi un ecosistem și de a extinde aplicațiile prin unirea sectoarelor din amonte și din aval din industrie, mediul academic și cercetare. Accentul se va pune pe atacarea tehnologiilor de bază cheie cu originalitate și leadership și pe construirea completă a unui ecosistem de răcire cu lichid de nivel înalt. Scopul este de a stabili un ecosistem deschis, de a promova decuplarea dulapurilor de răcire cu lichid și a serverelor și de a conduce formarea de standarde unificate care reduc PUE (Eficiența utilizării energiei) în timp ce obțin cel mai scăzut TCO (costul total de proprietate). Folosind avantajele de scară, acestea urmăresc extinderea semnificativă a aplicațiilor.

 

În ceea ce privește calendarul de implementare, cei trei operatori majori au stabilit planuri detaliate pentru 2023-2025.

 

• 2023:Efectuați verificarea tehnică, testarea amănunțită a performanței de răcire cu lichid, reducerea PUE și pregătirea capacităților tehnice de planificare, construcție și întreținere;
• 2024: Efectuați teste pe scară largă, promovați decuplarea dulapurilor și serverelor de răcire cu lichid, încurajează concurența, maturizați ecosistemul industriei și reduceți costurile totale ale ciclului de viață;
• Până în 2025:Realizați aplicații pe scară largă, tehnologia de răcire cu lichid fiind utilizată în mai mult de 50% din proiecte și promovați împreună formarea unui ecosistem de răcire cu lichid unificat, standardizat, rentabil și aplicat pe scară largă. Industria telecomunicațiilor își propune să devină lider în tehnologia de răcire cu lichid, lider în lanțul industrial și lider în promovarea aplicațiilor.

 

▲ Viziunea de trei ani pentru răcirea cu lichid de către operatorii de telecomunicații

 

 

V Concluzie

 

Potențial mare de dezvoltare în industria răcirii cu lichid, alături de provocări și oportunități

În prezent, industria de răcire cu lichid din China este în stadiile sale incipiente, iar rata de penetrare a aplicațiilor de răcire cu lichid rămâne relativ scăzută. Cu toate acestea, ca tehnologie de răcire de ultimă generație pentru centrele de date și clusterele de servere, potențialul pieței și perspectivele viitoare ale răcirii lichide au atras o atenție considerabilă, cu penetrarea aplicațiilor de așteptat să crească rapid.

 

Cu toate acestea, industria de răcire cu lichid din China se confruntă încă cu mai multe provocări de dezvoltare:

 

1. Ecosistem industrial imatur

Deși tehnologia de răcire cu lichid se dezvoltă de mai bine de un deceniu atât pe plan intern, cât și internațional, ecosistemul rămâne incomplet. Produsele variază foarte mult, iar standardizarea lipsește. În prezent, nu există un standard de interfață unificată pentru servere și cabinete în industrie. Dulapurile și serverele sunt strâns cuplate, iar formatele de produse ale diferiților producători, cum ar fi serverele, lichidele de răcire, conductele de refrigerare și sistemele de alimentare cu energie, diferă, făcând interfețele produselor incompatibile între ele. Acest lucru limitează concurența și împiedică dezvoltarea de înaltă calitate a industriei.

 

2. Arhitectura sistemului de răcire cu lichid în evoluție

Arhitecturile sistemelor de răcire cu lichid din industrie diferă, cu variații între setările de răcire și alimentare cu energie distribuită și centralizată. Serverele unor producători au evoluat în servere cu temperatură înaltă, care permit reducerea unităților de răcire a apei, simplificând și mai mult arhitectura sursei de răcire și promovând reducerea costurilor și eficiența.

 

3. Costuri ridicate ale sistemelor de răcire cu lichid

În comparație cu produsele tradiționale de răcire cu aer, răcirea cu lichid încă prezintă provocări în ceea ce privește investiția inițială ridicată și costurile totale ale ciclului de viață. Această problemă ar putea afecta adoptarea și promovarea pe scară largă a produselor de răcire cu lichid în stadiile incipiente.