Onderzoek naar de vloeistofkoelindustrie voor servers

 

IDC is een typische industrie met een hoog energieverbruik en kampt met beperkingen in het energieverbruikbeleid. Ontwikkelde regio's hebben beleid voor beperking van energieverbruik ingevoerd en het energieverbruik van IDC is voornamelijk gericht op koeling. Het thermische stroomverbruik van AI-servers is meer dan vijf keer zo hoog als dat van gewone servers, waardoor efficiëntere vloeistofkoeling nodig is om koeling te bereiken en PUE-niveaus te verlagen.

 

Aangedreven door Nvidia en binnenlandse operators, zal de penetratiegraad van vloeistofkoeling (cold plate) in servers in 2024 de 10% overschrijden, wat een snelle groeifase ingaat. Verwacht wordt dat de binnenlandse penetratiegraad van vloeistofkoeling in 2028 de 30% zal bereiken, met een marktwaarde van meer dan 20 miljard RMB.

 

De meest waardevolle componenten in een vloeistofkoelsysteem zijn de vloeistofkoelplaten en -buizen. Naar schatting zal de binnenlandse markt in 2028 ongeveer 10 miljard RMB bedragen. Omdat de technische barrières van het product niet hoog zijn, zullen bedrijven die vroeg de markt betreden en partnerschappen aangaan met fabrikanten van kernchips en servers, aanzienlijke voordelen hebben.

 

Bedrijven in de toeleveringsketen van Nvidia en Huawei krijgen betere investeringsmogelijkheden, met speciale aandacht voor Inovance Technology, Gaolan Co., Ltd., Jingyan Technology en Siquan New Materials.

 

 

I AI-servers/IDC's vereisen vloeistofkoelsystemen

 

1) Het hoge stroomverbruik van AI-servers vereist vloeistofkoeling

Een standaard CPU-server met afmetingen van 4U (737 mm × 437 mm × 178 mm) verbruikt doorgaans ongeveer 800 W aan vermogen, met een warmteafgifte van ongeveer 200 W, wat overeenkomt met 50 W/U aan warmteafgifte per eenheidsruimte. Daarentegen heeft een AI-server die is uitgerust met 8 GPU-chips in hetzelfde formaat een totaal stroomverbruik van ongeveer 5 kW en een warmteafgifte van ongeveer 1000 W, wat overeenkomt met 250 W/U aan warmteafgifte per eenheidsruimte, wat ongeveer vier keer zo hoog is als dat van een gewone server. Het maximale vermogensverlies van een typische 4U luchtgekoelde server is 600 W, ver onder de 1000 W warmteafgiftevereisten van een AI-server, waardoor vloeistofkoeling noodzakelijk is.

 

▲ De warmteafvoerbehoefte van AI-servers is ongeveer 5 keer hoger dan die van gewone servers

 

2) AI-server-IDC's moeten vloeistofkoelsystemen gebruiken

Om de temperatuur in de serverruimte tussen 20-25 graden te houden, kan een algemene server-IDC met luchtkoeling een minimale PUE van 1,3 bereiken, wat nauwelijks voldoet aan de beleidsvereisten. Een AI-server-IDC met luchtkoeling kan echter slechts een PUE van 1,6 bereiken. Daarom kan de PUE van de serverruimte alleen onder de vereiste 1,3 worden gehouden door een vloeistofkoelsysteem te gebruiken.

 

▲ Vergelijking van verschillende koeloplossingen

 

Volgens de meest recente informatie uit de sector zal Nvidia vanaf de B100 volledig overstappen op vloeistofkoeling en in 2024 een volledig op maat gemaakte vloeistofkoelingsoplossing lanceren, waarmee de ontwikkeling van vloeistofgekoelde servers aanzienlijk wordt versneld.

 

 

II Vloeistofkoelplaten/Vloeistofkoelbuizen

 

1) Optimaliseren van thermisch beheer met vloeistofkoelplaten

Vloeistofkoelplaten brengen de warmte van warmtegenererende componenten indirect over naar de koelvloeistof die circuleert in een gesloten systeem via de koude plaat, die doorgaans is gemaakt van thermisch geleidende metalen zoals koper of aluminium. De koelvloeistof voert de warmte vervolgens af. Er zijn vier belangrijke technische vereisten voor de kwaliteit van vloeistofkoelplaten: ten eerste, een hoge koelcapaciteit; ten tweede, een hoge betrouwbaarheid om de afdichting van de koude plaat te garanderen; ten derde, een nauwkeurig warmteafvoerontwerp om grote temperatuurverschillen binnen het systeem te voorkomen; en ten vierde, een strikte controle van het gewicht van de koude plaat om te voorkomen dat het koelsysteem de energiedichtheid van het totale systeem aanzienlijk vermindert.

 

Vloeistofkoelplaten worden vervaardigd met behulp van bewerkingsprocessen, waardoor de interne kanaalafmetingen en paden vrij kunnen worden ontworpen. Dit maakt ze geschikt voor thermische beheerproducten met een hoge vermogensdichtheid, onregelmatige warmtebronlay-outs en ruimtebeperkingen. Ze worden voornamelijk toegepast in het ontwerp van koelproducten voor windenergieconverters, fotovoltaïsche omvormers, IGBT's, motorcontrollers, lasers, energieopslagvoedingen, supercomputerservers en andere velden, maar worden minder vaak gebruikt in batterijsystemen.

2) Koude plaat vloeistofkoeling is de gangbare oplossing

 

 

▲ Oplossingen voor koelplaten en dompelvloeistofkoeling

 

Er zijn twee belangrijke vloeistofkoeloplossingen: koude plaat en immersie. De koude plaatoplossing gebruikt een holle vloeistofkoelplaat die aan de CPU- en GPU-oppervlakken is bevestigd. De warmte wordt afgevoerd door de koelvloeistof die erin stroomt, waardoor de PUE van de IDC wordt verlaagd tot 1,2. De immersieoplossing dompelt de hele server rechtstreeks onder in een speciale geïsoleerde koelvloeistof, waardoor warmte wordt afgevoerd door de circulatie van de vloeistof. Deze methode kan een PUE van minder dan 1,1 bereiken en wordt voornamelijk gebruikt voor supercomputers met een extreem hoge vermogensdichtheid. Naar verwachting zal koude plaatvloeistofkoeling in de toekomst de belangrijkste vloeistofkoeloplossing worden, goed voor meer dan 90% van het gebruik van vloeistofkoelsystemen.

 

3) Vloeistofkoelplaten en vloeistofkoelbuizen

 

 

▲ Schema van het vloeistofkoelsysteem met koude plaat

 

Een koelplaat vloeistofkoelsysteem bestaat uit drie hoofdonderdelen: het interne warmtegeleidingssysteem van het serverchassis (vloeistofkoelplaten en -buizen), het externe circulatiesysteem van het chassis (pompen, kleppen, buizen) en het externe warmtewisselsysteem van de serverruimte (koeltorens, enz.). Hiervan worden het warmtewisselsysteem en de koeltorens beschouwd als gemeenschappelijke elektromechanische apparatuur en hebben ze een lage waarde. Daarom is de waarde van het vloeistofkoelsysteem voornamelijk geconcentreerd op de vloeistofkoelplaten en -buizen in het chassis.