Análise da tecnologia de refrigeração líquida e dissipação de calor em data centers de IA

A IA generativa e vários modelos grandes nos trazem uma experiência de aplicação totalmente nova e também impõem maiores demandas ao poder da computação. Para os gerentes de operação de data centers, devido ao aumento significativo na densidade de potência dos servidores GPU, são impostos requisitos mais elevados aos equipamentos de refrigeração e à tecnologia dos data centers. Portanto, além de focar no poder computacional em si, eles também prestam mais atenção aos diversos problemas trazidos pelo consumo de energia e resfriamento do data center.

Impulsionado pela forte demanda por poder de computação de IA, o número de servidores GPU em data centers aumentou significativamente, levando a problemas de consumo de energia cada vez mais importantes. Sabemos que a potência total máxima de gabinete único refrigerado a ar em data centers é de 15kW. Com a mesma taxa de aumento, o crescimento de potência trazido pelos servidores GPU aproximou-se do limite de um único gabinete. No entanto, o consumo de energia das GPUs ainda aumenta constantemente. Diante de cenários de alto consumo de energia e alta densidade, o resfriamento de ar tradicional é claramente incapaz de atender às necessidades de consumo de energia e dissipação de calor. A tecnologia de refrigeração líquida, com sua altíssima eficiência energética e altíssima densidade de calor, tornou-se uma opção necessária para soluções de controle de temperatura em centros de computação inteligentes.

Nos data centers tradicionais refrigerados a ar, o consumo de energia para resfriamento de equipamentos e dissipação de calor chega a 40%, e a eficiência de dissipação de calor não é alta. Devido às suas limitações, o resfriamento convencional a ar em data centers geralmente é projetado com uma densidade de gabinete único de 8-10kW. Devido à condutividade térmica da tecnologia de refrigeração líquida ser 25 vezes maior que a do ar e transportar quase 3.000 vezes mais calor do que o mesmo volume de ar, ela pode facilmente atingir uma densidade de gabinete único superior a 30 kW. Portanto, pode economizar muito espaço, melhorar ainda mais a densidade de implantação de gabinetes em um único data center e melhorar a taxa de utilização da área da unidade do data center.
No entanto, atualmente não existe tecnologia e padrão de construção unificados na indústria de refrigeração líquida e, em comparação com a refrigeração tradicional a ar, o custo de construção de data centers com refrigeração líquida ainda é muito alto. O rápido desenvolvimento da tecnologia de refrigeração líquida e a falta de tecnologia e padrões de construção unificados trouxeram desafios significativos para o gerenciamento e manutenção posteriores.

Atualmente, as principais tecnologias de refrigeração líquida incluem a tecnologia de refrigeração líquida indireta representada pelo sistema de refrigeração líquida de placa fria e a tecnologia de refrigeração líquida direta representada pelo sistema de refrigeração líquida por imersão. Devido às diferenças no projeto de dissipação de calor entre os dois, também existem diferenças significativas na eficiência de dissipação de calor.

A tecnologia de dissipação indireta de calor é obtida entrando em contato com as superfícies de CPUs, memória, GPUs, discos rígidos e outras mídias, como placas frias, utilizando o fluxo de refrigerante para dissipar o calor. Além de placas frias e outros meios, a tecnologia de resfriamento indireto por líquido também inclui componentes como trocadores de calor, tubulações, bombas, refrigerante e sistemas de controle. O sistema de refrigeração líquida por placa fria tornou-se a principal solução para a tecnologia de refrigeração líquida indireta. As principais vantagens da tecnologia de resfriamento indireto de líquido são que ela não requer alteração da forma dos servidores existentes, tem baixa dificuldade técnica de projeto, dificuldade de implantação relativamente baixa e dificuldade relativamente baixa no gerenciamento posterior de operação e manutenção. Além disso, devido ao uso de solução aquosa de etilenoglicol como meio de resfriamento, o custo é menor.
A desvantagem é que a eficiência de dissipação de calor é relativamente baixa e, devido ao grande número de componentes, a taxa de falhas é relativamente maior. Atualmente, o sistema de refrigeração líquida de placa fria tornou-se a solução preferida para a maioria dos data centers.

A tecnologia de resfriamento líquido direto refere-se ao contato direto entre CPU, GPU, placa-mãe, memória, etc., e o refrigerante, que flui diretamente através da superfície do hardware para absorver e retirar o calor. Atualmente, a tecnologia de resfriamento direto por líquido inclui sistemas de resfriamento por imersão e sistemas de resfriamento por spray. Dependendo se o meio de resfriamento sofre mudança de fase, ele pode ser dividido em imersão monofásica e imersão em mudança de fase.
Em comparação com a tecnologia de dissipação indireta de calor, a tecnologia de resfriamento direto por líquido não possui meio condutor intermediário entre o líquido e a fonte de calor, e o calor pode ser transferido mais diretamente para o líquido, resultando em maior eficiência de dissipação de calor. No entanto, a tecnologia de refrigeração líquida direta é mais difícil e dispendiosa de implementar devido à necessidade de redesenhar e transformar todo o data center. Atualmente, a tecnologia de resfriamento direto por líquido é usada principalmente em cenários que exigem alta eficiência de dissipação de calor.

Atualmente, à medida que o sistema de refrigeração líquida de placa fria se torna mais maduro, ele se tornará a principal tecnologia de refrigeração líquida que entra primeiro nos data centers. O custo, operação e manutenção, segurança e outras questões que afetam a popularização da tecnologia de refrigeração líquida de placas frias também serão resolvidos com o desenvolvimento da tecnologia e a padronização.
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia, os sistemas de refrigeração líquida imersos também serão amplamente utilizados em novos data centers de alta densidade, melhorando ainda mais a eficiência de dissipação de calor dos data centers e aumentando significativamente os níveis de potência de computação.