Come funziona il raffreddamento liquido nei data center AI?

I server AI stanno cambiando il modo in cui i data center pensano al calore.

Poiché i sistemi di GPU e acceleratore diventano più potenti, il calore è concentrato all'interno della stessa impronta del rack, il raffreddamento dell'aria tradizionale può ancora gestire molti carichi di lavoro, ma l'infrastruttura AI ad alta densità richiede sempre più un modo più diretto per allontanare il calore dall'elettronica.

Il raffreddamento liquido affronta questo problema utilizzando un refrigerante circolante per raccogliere calore vicino alla sorgente e trasportarlo attraverso un anello di raffreddamento dedicato.

A livello di base, il processo è semplice:

La sfida ingegneristica consiste nel rendere ogni parte di quel ciclo di lavoro insieme in modo affidabile.

Per la parte di connessione flessibile del sistema, il tubo di raffreddamento liquido è un piccolo componente con un lavoro molto importante. Deve trasportare il refrigerante mentre si tratta di pressione, cambiamenti di temperatura, instradamento stretto, vibrazione e manutenzione ripetuta.

1. Che cosa è il liquido di raffreddamento in un centro dati AI?

Il raffreddamento liquido è un metodo di gestione termica che utilizza un liquido refrigerante per trasportare il calore lontano dalle apparecchiature elettroniche.

In un server AI, le sorgenti di calore primarie sono spesso GPU, CPU o altri acceleratori ad alte prestazioni.

Invece di trasferire la maggior parte di quel calore nell'aria circostante, un sistema di raffreddamento liquido pone un'interfaccia di raffreddamento vicino al componente di generazione di calore.

Nel raffreddamento diretto al chip, questa interfaccia è tipicamente una piastra fredda.

Il refrigerante scorre attraverso la piastra fredda, assorbe il calore e quindi lascia il server attraverso il lato di ritorno del circuito di raffreddamento.

2. Perché il liquido di raffreddamento è importante per i server AI?

La ragione principale è la densità di calore.

I sistemi di calcolo dell'intelligenza artificiale possono posizionare una notevole capacità di elaborazione in uno spazio fisico relativamente piccolo, creando un problema termico diverso dal semplice raffreddamento di un server convenzionale.

Con l'aumento della potenza del rack, il sistema di raffreddamento deve rimuovere più calore senza permettere alle temperature dei componenti di muoversi al di fuori della loro gamma operativa prevista.

Il liquido è attraente perché i refrigeranti a base d'acqua possono trasportare considerevolmente più calore per volume unitario rispetto all'aria.

Ciò significa che il sistema di raffreddamento può spostare una grande quantità di energia termica attraverso percorsi fluidi relativamente compatti.

3. Loop di raffreddamento diretto a chip di base

Un sistema di raffreddamento liquido diretto a chip semplificato può essere rappresentato come segue:

L'architettura esatta varia da un data center all'altro, ma il principio rimane lo stesso: il refrigerante circola attraverso il percorso termico e porta calore lontano dall'hardware di calcolo.

4. Cosa fa la CDU?

CDU sta per Unità di distribuzione refrigerante.

Il CDU è un'interfaccia importante tra l'infrastruttura di raffreddamento della struttura e il ciclo di raffreddamento della tecnologia.

A seconda dell'architettura del sistema, il CDU può fornire funzioni come:

• Circolazione refrigerante
• Gestione della temperatura
• Gestione della pressione
• Distribuzione di flusso
• Scambio di calore
• Monitoraggio del sistema

In alcune installazioni, l'acqua della struttura e il refrigerante lato IT sono tenuti in circuiti separati.

Questa disposizione fornisce al circuito di raffreddamento IT un ambiente controllato adatto alle esigenze dei server.

5. Cosa fa un piatto freddo?

La piastra fredda è posizionata direttamente a o molto vicino alla componente generatrice di calore.

Per il raffreddamento GPU, la piastra fredda è progettata per ricevere energia termica dalla GPU e trasferirla nel refrigerante che scorre attraverso i suoi canali interni.

La piastra fredda rappresenta quindi il punto in cui il calore entra nel circuito di raffreddamento liquido.

Le sue prestazioni dipendono dal suo design interno, flusso refrigerante, interfaccia termica e condizioni operative.

6. Dove si adatta il tubo di raffreddamento liquido?

Il tubo collega le diverse parti del circuito di raffreddamento.

A seconda dell'architettura, i tubi possono essere utilizzati tra:

• CDU e colletto
• Manifold e server
• Server e piastra fredda
• Piastra fredda e colletto di ritorno

Questo rende il tubo un collegamento flessibile tra componenti altrimenti rigidi.

In un rack AI denso, che la flessibilità può essere preziosa perché lo spazio di routing disponibile è limitato.

7. Perché flessibile rotatorio Matters

All'interno di un rack server AI, i componenti di raffreddamento condividono lo spazio con l'infrastruttura elettrica e meccanica.

Un tubo può essere necessario per spostarsi:

• Vassoi GPU
• Piatti freddi
• Manifolds
• Strutture rack
• Componenti di potenza
• Cavi elettrici
• Altre linee di raffreddamento

Un tubo quindi deve essere sufficientemente flessibile per l'installazione pur rimanendo all'interno del suo raggio di curvatura minimo specificato.

Il buon routing non è semplicemente di fare la piega del tubo.

Si tratta di mantenere il percorso di flusso previsto senza creare inutili stress meccanico.

8. Cosa succede dentro un tubo di raffreddamento liquido?

Un tubo di raffreddamento liquido rinforzato può contenere diversi strati funzionali.

Il tubo interno contatta il refrigerante.

Il rinforzo fornisce supporto meccanico e può aumentare la capacità di pressione.

Lo strato esterno protegge il tubo dall'ambiente circostante.

La costruzione reale dipende dal design del tubo e l'applicazione destinata.

9. Perché Hose Materiale Materia?

Il materiale del tubo interno è a diretto contatto con il refrigerante per periodi prolungati.

La selezione dei materiali dovrebbe quindi considerare l'effettiva formulazione del refrigerante piuttosto che basarsi solo su una descrizione generale come "il refrigerante a base d'acqua".

I materiali flessibili comuni considerati per il raffreddamento a liquido includono:

• EPDM
• Silicone
• PTFE e altri fluoropolimeri
• Altri elastomeri specifici delle applicazioni

EPDM può essere un'opzione pratica per molte applicazioni di raffreddamento a base d'acqua in cui la flessibilità e la durata meccanica sono importanti.

Il silicone può essere considerato dove la flessibilità e la capacità di temperatura sono requisiti chiave.

I tubi fluorescenti possono essere considerati dove la compatibilità chimica o specifiche esigenze di pulizia sono più esigenti.

10. Come fa il liquido di raffreddamento riscaldare?

Il principio è semplice: il refrigerante entra nella piastra fredda, assorbe il calore e lascia ad una temperatura più alta.

Il rapporto può essere descritto utilizzando l'equazione base del trasferimento di calore:

Q = ṁ × Cp × ΔT

dove:

• Q = calore rimosso
• ṁ = portata di massa refrigerante
• C = capacità termica specifica del refrigerante
• ΔT = aumento della temperatura refrigerante

Questo è il motivo per cui la portata e le proprietà refrigeranti sono centrali per il raffreddamento a liquido.

Il calcolo effettivo del sistema dovrebbe utilizzare le proprietà del refrigerante selezionato e le esigenze termiche dell'apparecchiatura.

11. Perché il flusso di raffreddamento è importante?

Il flusso insufficiente può limitare la quantità di calore che il refrigerante può portare via per un determinato aumento di temperatura.

Tuttavia, l'aumento del flusso non è libero.

Il flusso più elevato può aumentare la resistenza idraulica e le esigenze della pompa.

Il sistema di raffreddamento ha quindi bisogno di un adeguato equilibrio tra:

• Rimozione del calore
• aumento della temperatura di raffreddamento
• Tasso di flusso
• Goccia di pressione
• Potenza di pompaggio

Questo è un motivo per cui la selezione del tubo di raffreddamento liquido deve essere considerata come parte del sistema idraulico completo.

12. Come funziona il diametro del tubo infettare il piano di raffreddamento?

Il diametro interno del tubo influisce direttamente sul passaggio di flusso.

Per una determinata portata, ridurre il diametro interno aumenta generalmente la velocità del fluido e la resistenza idraulica.

La scelta di un tubo non è quindi semplicemente una questione di abbinare il diametro esterno ad un raccordo disponibile.

Il diametro interno deve essere considerato dalle esigenze idrauliche del sistema.

13. Che cosa è la caduta della pressione?

La caduta di pressione è la pressione persa mentre il refrigerante passa attraverso un componente.

In un circuito di raffreddamento liquido, la perdita di pressione può provenire da:

• Tubi
• Raccordi
• UQD
• Manifolds
• Piatti freddi
• Valvole e altre restrizioni

La pompa deve fornire una pressione sufficiente per mantenere il flusso richiesto attraverso il circuito completo.

Per questo motivo, i dati del tubo a goccia di pressione sono più utili quando viene fornito insieme a una portata definita e condizioni di prova.

14. Che cosa è un UQD in liquido di raffreddamento?

UQD si riferisce a un Scollegamento rapido universale utilizzato per semplificare la connessione e la disconnessione delle linee di raffreddamento liquido.

Gli UQD possono essere utili quando i server, le piastre fredde o altri componenti di raffreddamento devono essere serviti o sostituiti.

Una connessione tipica può essere rappresentata come:

L'UQD è quindi sia una connessione meccanica che una parte del percorso di flusso refrigerante.

15. Fa una UQD Affect Liquid Cooling Performance?

Si'.

La geometria interna di un UQD può creare resistenza idraulica.

Quando si seleziona un UQD, gli ingegneri possono avere bisogno di considerare:

• Capacità di flusso
• Goccia di pressione
• Pressione di lavoro
• Gamma di temperatura
• Compatibilità refrigerante
• Prestazioni di perdite
• Cicli di connessione
• Spazio di installazione disponibile

Un UQD dovrebbe quindi essere considerato come parte del design idraulico piuttosto che semplicemente come un connettore che accade per adattarsi al tubo.

16. lato di alimentazione e lato di ritorno

Un sistema di raffreddamento liquido contiene normalmente un percorso di alimentazione e un percorso di ritorno.

Il lato di alimentazione fornisce refrigerante relativamente più fresco verso la fonte di calore.

Il lato di ritorno porta il refrigerante più caldo lontano dalla piastra fredda.

Entrambi i lati sono importanti per le prestazioni del sistema.

Il tubo di ritorno non deve essere trattato come un componente secondario semplicemente perché il refrigerante è già trasportando calore.

17. Perché Hose Lunghezza Materia?

I tubi più lunghi generalmente creano una maggiore resistenza agli attriti.

Tuttavia, fare un tubo inutilmente corto può creare lo stress di installazione.

Una lunghezza pratica del tubo dovrebbe fornire un'indennità sufficiente per:

• Raggio di curvatura richiesto
• Movimento di attrezzature
• Tolleranza di installazione
• Accesso alla manutenzione
• Allineamento della connessione

L'obiettivo non è il tubo più corto possibile.

L'obiettivo è un tubo adeguatamente percorso con una lunghezza appropriata.

18. Perché è Minimo Bend Radius Importante?

L'eccessiva flessione può deformare il tubo e limitare il flusso di raffreddamento.

Può anche porre ulteriore stress meccanico vicino al raccordo o UQD.

In un rack AI denso, il raggio di curva minima dovrebbe quindi essere trattato come un parametro di installazione reale piuttosto che un valore che esiste solo sul foglio di dati.

Durante la progettazione del sistema, gli ingegneri dovrebbero considerare l'effettivo routing tridimensionale del tubo.

19. Che cosa circa i cambiamenti di temperatura?

I sistemi di raffreddamento liquido non operano necessariamente ad una temperatura fissa.

La temperatura può cambiare con:

• Carico di lavoro IT
• Flusso di raffreddamento
• Condizioni di redditività
• Avvio e spegnimento del sistema
• Cicli di manutenzione

Il materiale del tubo, il rinforzo, i raccordi e le guarnizioni devono essere tutti adatti per l'intervallo di temperatura di esercizio previsto.

Per applicazioni a lungo termine, il ciclismo a temperatura può anche essere rilevante.

20. Controllo delle perdite è un requisito di sistema

Una delle evidenti differenze tra raffreddamento dell'aria e raffreddamento liquido è la presenza di un fluido circolante all'interno dell'infrastruttura dell'apparecchiatura.

L'obiettivo è semplice:

Tenere il refrigerante all'interno del percorso di flusso progettato.

I potenziali punti di perdita includono:

• Corpo del tubo
• Collegamento forzato
• Fissaggio
• Interfaccia UQD
• Attacco piatto freddo
• Collegamento flessibile

Ecco perché l'assemblaggio completo del tubo deve essere considerato durante la convalida.

21. Perché Hose Construction Matter?

Due tubi realizzati con materiali di base simili possono comportarsi in modo diverso perché le loro costruzioni sono diverse.

La costruzione può influenzare:

• Pressione di lavoro
• Flessibilità
• Raggio del banco
• Durata meccanica
• Stabilità dimensionale
• Prestazioni di temperatura

Per i sistemi di raffreddamento a liquido pressurizzati, il rinforzo può essere particolarmente importante.

La costruzione corretta dipende dall'applicazione piuttosto che semplicemente dal nome dell'elastomero.

22. Perché Installazione Space Matter?

I rack server AI sono ambienti altamente vincolati.

Un tubo può soddisfare le sue specifiche di pressione e temperatura e ancora essere difficile da installare se il suo diametro esterno, lunghezza di montaggio o raggio di curva è inadattabile.

Gli ingegneri dovrebbero controllare:

• Foro esterno diametro
• Raggio di curvatura minimo
• Dimensioni di montaggio
• Dimensioni UQD
• orientamento alla connessione
• Cancellazione
• Accesso alla manutenzione

In un rack densamente imballato, la geometria di installazione può essere altrettanto importante come le specifiche del tubo nominale.

23. Come funziona la manutenzione Affect Hose Design?

I server AI non sono componenti permanentemente inaccessibili.

Server, GPU e componenti di raffreddamento possono essere serviti o sostituiti.

Durante la manutenzione, il tubo può sperimentare il movimento che non si verifica durante il normale funzionamento.

Ciò rende importanti i seguenti fattori:

• Flessibilità
• Raggio del banco
• Affidabilità di connessione
• Cicli di connessione UQD
• Lunghezza del tubo
• Protezione meccanica

Un tubo di raffreddamento dovrebbe quindi essere valutato non solo per il funzionamento a stato costante, ma anche per le condizioni di manutenzione che si prevede di sperimentare.

24. Il liquido di raffreddamento è un sistema, non un singolo componente

Le prestazioni di raffreddamento di un server AI dipendono dall'interazione tra più componenti.

Ottimizzare un componente senza considerare gli altri può produrre una soluzione incompleta.

25. Che succede quando il tubo è sottodimensionato?

Un tubo sottodimensionato può aumentare la velocità di raffreddamento e la perdita di pressione.

A seconda del sistema, questo può aumentare i requisiti della pompa o ridurre il flusso disponibile alla piastra fredda.

A scala rack, questi effetti possono diventare più importanti perché più rami di raffreddamento possono operare simultaneamente.

L'ID del tubo deve quindi essere selezionato dal flusso richiesto e dal bilancio del sistema a goccia.

26. Cosa succede quando il tubo è sovradimensionato?

Più grande non è automaticamente migliore.

Un tubo inutilmente grande può aumentare:

• Spazio di installazione
• Peso del tubo
• Raggio del banco
• Consumo di materiali
• Dimensioni di connessione
• Costo complessivo del sistema

La dimensione del tubo appropriata è quella che soddisfa i requisiti idraulici e meccanici senza creare problemi di installazione inutili.

27. Come dovrebbe essere convalidato un tubo di raffreddamento liquido?

Per applicazioni complesse, la validazione dovrebbe considerare l'assemblaggio del tubo finito.

A seconda del progetto, i test pertinenti possono includere:

• Test di pressione – Verificare l'integrità della pressione.
• Test di perdite – Verificare le prestazioni di tenuta.
• Test di flusso – Confermare le prestazioni idrauliche.
• Test a pressione – Misurare la resistenza idraulica in condizioni di flusso definite.
• Test di temperatura – Valutare le prestazioni in tutta la gamma operativa.
• Test di flessibilità – Confermare l'idoneità per il routing richiesto.
• Prova del ciclo – Valutare la connessione ripetuta o il movimento, se necessario.

Il programma di prova richiesto deve essere definito in base all'applicazione reale.

28. Una tipica AI Liquid Cooling Architecture

Questa architettura illustra perché il tubo diventa una parte importante dell'infrastruttura generale in quanto aumenta il numero di rami di raffreddamento.

29. Perché Hose Affidabilità Matters a Rack Scale

Un singolo anello di raffreddamento può contenere diversi gruppi di tubi.

Un rack può contenere molti server.

Un data center può contenere molti rack.

Il risultato è un gran numero di singoli tubi e punti di connessione.

La coerenza quindi conta.

Una soluzione pratica del tubo di raffreddamento liquido dovrebbe essere adatta per la produzione, l'installazione e la manutenzione ripetibili.

30. Dove si adatta CJAN al sistema di raffreddamento liquido?

CJAN si concentra sulla porzione flessibile del tubo dei sistemi di raffreddamento a liquido.

L'attuale portafoglio di raffreddamento liquido comprende:

• RICERCA
• LCH-SD
• LCH-SDS

Questi prodotti possono essere valutati per diverse applicazioni di raffreddamento a liquido in base alle reali esigenze del sistema.

La selezione appropriata dovrebbe prendere in considerazione:

• Raffreddamento
• Tasso di flusso
• Pressione di lavoro
• Temperatura
• ID tubo
• Raggio del banco
• Configurazione della connessione
• Ambiente di installazione

Il portafoglio tubi di raffreddamento liquido di CJAN è quindi meglio inteso come parte di una soluzione di ingegneria a livello di sistema piuttosto che come gruppo di prodotti di tubo standalone.

31. LCH, LCH-SD e LCH-SDS nelle applicazioni di raffreddamento liquido

La selezione finale del prodotto deve essere sempre confermata rispetto alle ultime specifiche del prodotto CJAN e alle attuali condizioni operative del cliente.

32. Cosa dovrebbe fornire un ingegnere quando si seleziona un tubo?

Una richiesta utile del tubo di raffreddamento liquido dovrebbe includere le seguenti informazioni:

Fornendo questi parametri consente al fornitore tubo di fare una raccomandazione tecnica più significativa.

33. La sequenza di progettazione del liquido di raffreddamento pratico

Una sequenza di ingegneria utile è:

Questo processo collega i requisiti termici con i requisiti meccanici del tubo.

34. Il tubo è piccolo, ma il requisito non è

Un tubo di raffreddamento liquido può sembrare un componente relativamente semplice rispetto a una GPU, piastra fredda o CDU.

Ma opera all'incrocio di diversi requisiti di ingegneria.

Deve trasportare il refrigerante in modo affidabile mentre si inserisce in un ambiente meccanico strettamente limitato.

Deve anche lavorare con i raccordi, UQD, collettori e piatti freddi intorno a esso.

Questo rende la selezione del tubo una decisione di ingegneria del sistema piuttosto che semplicemente una decisione di acquisto.

35. Portachiavi

Il data center AI opera il raffreddamento liquido creando un percorso controllato per il refrigerante per raccogliere il calore da componenti di calcolo ad alta potenza e il trasporto che si riscaldano dal server.

Il processo di base è:

All'interno di questo anello, il tubo di raffreddamento liquido fornisce il collegamento flessibile tra i componenti del sistema.

Le sue prestazioni dipendono da più del materiale del tubo da solo.

Portata, diametro interno, goccia di pressione, temperatura, compatibilità refrigerante, raggio di curva, rinforzo, raccordi e UQD devono essere considerati tutti insieme.

Il design di raffreddamento liquido più affidabile non è costruito intorno ad un componente "migliore" ed è costruito intorno alla compatibilità tra l'intero ciclo di raffreddamento.

Per i data center AI, l'approccio a livello di sistema fornisce una base pratica per la progettazione di infrastrutture di raffreddamento a liquido affidabili.

Conclusioni

Il raffreddamento liquido sta diventando sempre più rilevante in quanto l'intelligenza artificiale spinge i requisiti termici a livello rack più elevati.

Il concetto di base è semplice: spostare il calore in un liquido e trasportarlo via.

L'attuazione è più dettagliata.

Le piastre a freddo raccolgono il calore dai processori. I moduli distribuiscono il refrigerante. Gli UQD forniscono connessioni di servizio. I tubi di raffreddamento a liquido collegano questi componenti e permettono al sistema di adattarsi ai vincoli fisici del rack del server.

Per questo motivo, il design del tubo di raffreddamento liquido dovrebbe essere considerato sia da prospettive idrauliche che meccaniche.

Le famiglie del tubo di raffreddamento liquido LCH, LCH-SD e LCH-SDS di CJAN possono essere valutate secondo i requisiti di raffreddamento, flusso, pressione, temperatura, routing e connessione dell'applicazione.

Per il raffreddamento del data center AI, il tubo giusto non è semplicemente quello che si adatta.