TDP變化及對散熱技術(shù)的要求

TDP 變化對室內(nèi)散熱技術(shù)的影響

AI芯片更高的熱設(shè)計功耗是推動液冷技術(shù)普及的關(guān)鍵因素。隨著人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)以及區(qū)塊鏈等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)資源的存儲、計算和應(yīng)用需求迅速擴張，特別是像ChatGPT這樣的AI算力大功率應(yīng)用場景加速落地，這導(dǎo)致AI芯片TDP（熱設(shè)計功耗：處理器達(dá)到最大負(fù)荷時釋放的熱量）不斷增加，2022年Intel第四代服務(wù)器處理器單CPU功耗已突破350W，英偉達(dá)單GPU芯片功耗突破700W，帶來了更高的散熱需求。

同時，服務(wù)器制造商正在將更多的CPU和GPU裝入每個機架單元（U）。由于機架內(nèi)有多個高性能服務(wù)器，即使有密封裝置，向機架輸送冷風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)也無法提供足夠的冷卻能力。此外，在處理密集型應(yīng)用中，分散計算的策略并不可行，因為即使是在單個服務(wù)器中，也存在物理距離帶來的延遲挑戰(zhàn)。因此，組件被壓縮到單個設(shè)備內(nèi)，從而形成高熱密集的1U服務(wù)器，將機架熱密度提高到前所未有的水平。

前幾年，風(fēng)冷系統(tǒng)通過讓冷源更靠近熱源，或者密封冷通道/熱通道的方案，來適應(yīng)更高的熱密度散熱需求。但是，隨著機架密度升至20kW以上，傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)在面對高熱密度場景時顯現(xiàn)出散熱效率瓶頸，無法跟上計算效率的提升。液冷技術(shù)以其高能效和高熱密度散熱特點，成為解決散熱壓力和節(jié)能挑戰(zhàn)的有效手段。液冷技術(shù)相較于風(fēng)冷技術(shù)，在低能耗、高散熱、低噪音和低總擁有成本(TCO) 等方面具有明顯優(yōu)勢。

液體的冷卻能力是空氣的1000至3000倍，導(dǎo)熱能力是空氣的25倍，這使得液冷技術(shù)特別適合需要大幅度提高計算能力、能源效率和部署密度的場景。想要部署密度極高機架（60kW以上）的設(shè)施在是否使用液冷方面幾乎沒有選擇余地。無論如何配置或優(yōu)化系統(tǒng)，風(fēng)冷都無法提供維持IT系統(tǒng)可靠性所需的散熱能力。在邊緣計算和核心數(shù)據(jù)中心都是如此。因此，當(dāng)芯片的熱設(shè)計功耗（TDP）超過700-800W時，液冷是解決高密散熱的必要有效措施。

TDP 變化對室外冷源技術(shù)的影響

液冷系統(tǒng)的換熱主要分為一次側(cè)換熱系統(tǒng)和二次側(cè)換熱系統(tǒng)兩個部分，二次側(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電子設(shè)備高熱流密度元件的發(fā)熱量帶出機房，送抵與外循環(huán)系統(tǒng)做熱交換的冷量分配單元的冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。主要由冷量分配單元( 二次側(cè)循環(huán)通道部分)、液冷設(shè)備、冷卻介質(zhì)供回歧管、循環(huán)管路、連接管路等構(gòu)成；一次側(cè)換熱系統(tǒng)負(fù)責(zé)將二次側(cè)冷卻環(huán)路送抵的機房內(nèi)元件產(chǎn)生的熱量排至室外大氣環(huán)境或通過熱回收系統(tǒng)回收利用。一次側(cè)冷卻環(huán)路由冷量分配單元( 一次側(cè)循環(huán)通道部分)、冷卻水循環(huán)管路、水泵、冷源等構(gòu)成。

在室外側(cè)循環(huán)中，低溫水在冷量分配單元（CDU）中吸收二次側(cè)冷卻液攜帶的大量熱量變?yōu)楦邷厮裳h(huán)水泵輸入到室外冷散熱設(shè)備中。在室外散熱設(shè)備中，高溫水與大氣進行熱交換，釋放熱量，變成低溫水再由循環(huán)水泵輸送進CDU中與冷卻液進行熱交換，完成室外側(cè)循環(huán)。

在一次側(cè)循環(huán)中熱量轉(zhuǎn)移主要通過水溫升降實現(xiàn)，根據(jù)不同水溫，可分為完全自然冷卻和機械冷卻兩種形式。自然冷卻系統(tǒng)主要有開式冷卻塔、閉式冷卻塔和干冷器等類型，可提供30℃以上冷卻水；機械制冷系統(tǒng)主要包含風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)和水冷冷凍水系統(tǒng)，可提供溫度較低的冷凍水。隨著TDP的不斷提高，要保證芯片側(cè)的換熱效果需要降低二次側(cè)管路的冷卻液溫度，進而需要更低的一次側(cè)水溫。

當(dāng)TDP在900~1500W范圍或以上時，對液冷一次側(cè)進水溫度的需求越來越低，此時自然冷卻提供的30℃以上的冷卻水難以滿足要求，因此就需要機械制冷系統(tǒng)提供溫度更低的冷凍水。即室外冷源由冷卻塔逐步過渡到冷水機組。

節(jié)選自《智算中心液冷技術(shù)發(fā)展報告（2024 版）》

該報告深入分析液冷技術(shù)在智算中心的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展和未來趨勢。旨在為智算中心的規(guī)劃和建設(shè)提供參考，幫助行業(yè)同仁更好地理解和應(yīng)用液冷技術(shù)，推動AI行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。