การวิจัยเกี่ยวกับอุตสาหกรรมการระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับเซิร์ฟเวอร์

 

IDC เป็นอุตสาหกรรมที่มีการใช้พลังงานสูงโดยทั่วไปและเผชิญกับข้อจำกัดด้านนโยบายการใช้พลังงาน ภูมิภาคที่พัฒนาแล้วได้นำนโยบายจำกัดการใช้พลังงานมาใช้ และการใช้พลังงานของ IDC มุ่งเน้นไปที่การระบายความร้อนเป็นหลัก การใช้พลังงานความร้อนของเซิร์ฟเวอร์ AI นั้นมากกว่าเซิร์ฟเวอร์ทั่วไปถึงห้าเท่า จึงต้องใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลวที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อให้ระบายความร้อนและลดระดับ PUE ได้

 

ด้วยแรงผลักดันจาก Nvidia และผู้ให้บริการในประเทศ อัตราการเจาะตลาดของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว (แผ่นเย็น) ในเซิร์ฟเวอร์จะเกิน 10% ในปี 2024 ซึ่งเข้าสู่ช่วงการเติบโตอย่างรวดเร็ว คาดว่าอัตราการเจาะตลาดระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวในประเทศจะสูงถึง 30% ในปี 2028 โดยมีขนาดตลาดมากกว่า 2 หมื่นล้านหยวน

 

ส่วนประกอบที่มีค่าที่สุดในระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวคือแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวและท่อ คาดว่าตลาดภายในประเทศจะมีมูลค่าประมาณ 10,000 ล้านหยวนภายในปี 2028 เนื่องจากอุปสรรคทางเทคนิคของผลิตภัณฑ์ไม่สูง บริษัทที่เข้าสู่ตลาดในช่วงแรกและสร้างความร่วมมือกับผู้ผลิตชิปหลักและเซิร์ฟเวอร์จะมีข้อได้เปรียบอย่างมาก

 

บริษัทต่างๆ ในห่วงโซ่อุปทานของ Nvidia และ Huawei จะมีโอกาสในการลงทุนที่ดีขึ้น โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับ Inovance Technology, Gaolan Co., Ltd., Jingyan Technology และ Siquan New Materials

 

 

เซิร์ฟเวอร์/IDC ของ I AI ต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

1) การใช้พลังงานสูงของเซิร์ฟเวอร์ AI ต้องใช้การระบายความร้อนด้วยของเหลว

โดยทั่วไปแล้วเซิร์ฟเวอร์ CPU มาตรฐานที่มีขนาด 4U (737 มม. × 437 มม. × 178 มม.) จะใช้พลังงานประมาณ 800W โดยมีเอาต์พุตความร้อนประมาณ 200W ซึ่งเทียบเท่ากับเอาต์พุตความร้อน 50W/U ต่อหน่วยพื้นที่ ในทางตรงกันข้าม เซิร์ฟเวอร์ AI ที่ติดตั้งชิป GPU 8 ตัวในรูปแบบขนาดเดียวกันจะมีการใช้พลังงานทั้งหมดประมาณ 5KW และเอาต์พุตความร้อนประมาณ 1,000W ซึ่งเทียบเท่ากับเอาต์พุตความร้อน 250W/U ต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งมากกว่าเซิร์ฟเวอร์ทั่วไปประมาณสี่เท่า การกระจายพลังงานสูงสุดของเซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศขนาด 4U ทั่วไปคือ 600W ซึ่งต่ำกว่าข้อกำหนดการกระจายความร้อน 1,000W ของเซิร์ฟเวอร์ AI มาก ทำให้จำเป็นต้องมีการระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

▲ ความต้องการการกระจายความร้อนของเซิร์ฟเวอร์ AI สูงกว่าเซิร์ฟเวอร์ทั่วไปประมาณ 5 เท่า

 

2) IDC ของเซิร์ฟเวอร์ AI ต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

เพื่อรักษาอุณหภูมิห้องเซิร์ฟเวอร์ให้อยู่ระหว่าง 20-25 องศา IDC เซิร์ฟเวอร์ทั่วไปที่ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศสามารถบรรลุ PUE ขั้นต่ำที่ 1.3 ซึ่งแทบจะตรงตามข้อกำหนดของนโยบาย อย่างไรก็ตาม IDC เซิร์ฟเวอร์ AI ที่ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศสามารถบรรลุ PUE ได้เพียง 1.6 ดังนั้น การใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวเท่านั้นจึงจะทำให้ PUE ของห้องเซิร์ฟเวอร์อยู่ต่ำกว่า 1.3 ที่กำหนด

 

▲ การเปรียบเทียบโซลูชันการทำความเย็นต่างๆ

 

ตามข้อมูลห่วงโซ่อุตสาหกรรมล่าสุด Nvidia จะนำระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมาใช้เต็มรูปแบบโดยเริ่มจาก B100 และจะเปิดตัวโซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ปรับแต่งเองได้เต็มรูปแบบในปี 2024 ซึ่งจะช่วยเร่งการพัฒนาเซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนด้วยของเหลวได้อย่างมาก

 

 

II แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว/ท่อระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

1) การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการความร้อนด้วยแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวจะถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบที่สร้างความร้อนโดยอ้อมไปยังของเหลวระบายความร้อนที่หมุนเวียนภายในระบบวงจรปิดผ่านแผ่นระบายความร้อน ซึ่งโดยทั่วไปมักทำจากโลหะที่มีคุณสมบัติในการนำความร้อน เช่น ทองแดงหรืออลูมิเนียม จากนั้นของเหลวระบายความร้อนจะถ่ายเทความร้อนออกไป ข้อกำหนดทางเทคนิคที่สำคัญสี่ประการสำหรับคุณภาพของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว ได้แก่ ประการแรก ความสามารถในการระบายความร้อนสูง ประการที่สอง ความน่าเชื่อถือสูงเพื่อให้แน่ใจว่าแผ่นระบายความร้อนปิดผนึกได้ดี ประการที่สาม การออกแบบการกระจายความร้อนที่แม่นยำเพื่อหลีกเลี่ยงความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากภายในระบบ และประการที่สี่ การควบคุมน้ำหนักของแผ่นระบายความร้อนอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันไม่ให้ระบบระบายความร้อนลดความหนาแน่นของพลังงานของระบบโดยรวมลงอย่างมาก

 

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการกลึง ซึ่งช่วยให้สามารถออกแบบขนาดและเส้นทางภายในของช่องได้อย่างอิสระ จึงเหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์จัดการความร้อนที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง เค้าโครงแหล่งความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ และข้อจำกัดด้านพื้นที่ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวส่วนใหญ่ใช้ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ระบายความร้อนสำหรับตัวแปลงพลังงานลม อินเวอร์เตอร์โฟโตวอลตาอิค IGBT ตัวควบคุมมอเตอร์ เลเซอร์ แหล่งจ่ายไฟสำรองพลังงาน เซิร์ฟเวอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ และสาขาอื่นๆ แต่ไม่ค่อยใช้ในระบบแบตเตอรี่ไฟฟ้า

2) ระบบทำความเย็นด้วยของเหลวแบบแผ่นเย็นเป็นโซลูชันหลัก

 

 

▲ โซลูชันการทำความเย็นด้วยแผ่นเย็นและของเหลวแบบจุ่ม

 

โซลูชันการระบายความร้อนด้วยของเหลวหลักๆ มีอยู่ 2 แบบ ได้แก่ แผ่นระบายความร้อนแบบเย็นและแบบจุ่ม โซลูชันแผ่นระบายความร้อนแบบเย็นใช้แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวกลวงที่ติดอยู่กับพื้นผิวของ CPU และ GPU ความร้อนจะถูกพาออกไปโดยสารหล่อเย็นที่ไหลอยู่ภายใน ทำให้ค่า PUE ของ IDC ลดลงเหลือ 1.2 โซลูชันการจุ่มจะจุ่มเซิร์ฟเวอร์ทั้งหมดลงในของเหลวระบายความร้อนแบบมีฉนวนพิเศษโดยตรง โดยขจัดความร้อนออกไปผ่านการหมุนเวียนของของเหลว วิธีนี้สามารถทำให้ค่า PUE ต่ำกว่า 1.1 และส่วนใหญ่ใช้สำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก คาดว่าในอนาคต ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแผ่นระบายความร้อนแบบเย็นจะกลายเป็นโซลูชันการระบายความร้อนด้วยของเหลวกระแสหลัก โดยคิดเป็นมากกว่า 90% ของการใช้งานระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

3) แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวและท่อระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

 

▲ แผนผังระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวด้วยแผ่นเย็น

 

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแผ่นเย็นประกอบด้วยส่วนหลักสามส่วน ได้แก่ ระบบนำความร้อนภายในของแชสซีเซิร์ฟเวอร์ (แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวและท่อ) ระบบหมุนเวียนภายนอกของแชสซี (ปั๊ม วาล์ว ท่อ) และระบบแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอกของห้องเซิร์ฟเวอร์ (หอคอยระบายความร้อน ฯลฯ) ในจำนวนนี้ ระบบแลกเปลี่ยนความร้อนและหอคอยระบายความร้อนถือเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้ากลทั่วไปและมีมูลค่าต่ำ ดังนั้น มูลค่าของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวจึงมุ่งเน้นไปที่แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวและท่อภายในแชสซีเป็นหลัก