Liquid Cooling Solution: Core Driver of Key Tech & Energy Transition – Русский

[ez-toc]

По мере роста вычислительной мощности ИИ и развития систем накопления энергии в сторону высокой плотности мощности система жидкостного охлаждения стала оптимальным решением терморегулирования для критически важных сценариев, таких как центры обработки данных, накопители энергии и быстрая зарядка электромобилей. По сравнению с традиционным воздушным охлаждением она обеспечивает в 3–5 раз более высокую эффективность отвода тепла, снижает энергопотребление на 20–30%, увеличивает срок службы оборудования на 50% и более, а также поддерживает сверхвысокую плотность мощности до 100 кВт и выше на одну стойку. Её два магистральных технических направления — охлаждение с холодной пластиной и иммерсионное охлаждение — соответственно отвечают потребностям модернизации существующих мощностей и будущих высокоплотностных вычислений, создавая значительную эксплуатационную ценность и эффект снижения выбросов углерода для предприятий.

Почему система жидкостного охлаждения превосходит традиционное воздушное охлаждение?

С быстрой сменой поколений высокопроизводительных чипов и непрерывным повышением плотности мощности систем традиционное воздушное охлаждение достигло своего предела в области терморегулирования. Система жидкостного охлаждения, опираясь на превосходную теплопроводность жидких сред, стала необходимым выбором для преодоления предела отвода тепла. Приведённые ниже сравнительные данные наглядно демонстрируют её ключевые преимущества:

Соответствующие испытания показывают, что в системах на базе GPU от NVIDIA жидкостное охлаждение поддерживает температуру GPU на уровне 46–54°C, тогда как воздушное охлаждение приводит к диапазону температур 55–71°C. Такое стабильное терморегулирование позволяет системам с жидкостным охлаждением обеспечивать до 17% более высокую вычислительную пропускную способность при стресс-тестах, что критически важно для обучения моделей ИИ и задач высокопроизводительных вычислений.

Два магистральных технических направления системы жидкостного охлаждения

Система жидкостного охлаждения включает в основном два технических направления: охлаждение с холодной пластиной и иммерсионное охлаждение. Предприятия могут выбрать подходящее решение в соответствии со своими бизнес-потребностями, плотностью мощности и бюджетными ограничениями:

Охлаждение с холодной пластиной

Охлаждение с холодной пластиной обеспечивает точечный отвод тепла путём крепления индивидуальных металлических холодных пластин к ключевым тепловыделяющим компонентам, таким как CPU и GPU. Оно использует гибридную архитектуру «локальное жидкостное охлаждение + глобальное воздушное охлаждение», которая не требует кардинальных изменений существующей серверной структуры и обладает высокой совместимостью.

• Положение на рынке: в настоящее время занимает 80% рынка жидкостного охлаждения, являясь основным выбором для коммерциализации.
• Ключевые преимущества: низкие затраты на модернизацию (всего 30–50% от иммерсионного охлаждения), зрелая технология и простота обслуживания. Позволяет снизить PUE центра обработки данных ниже 1,2, полностью удовлетворяя требованиям политики «зелёных» центров обработки данных.
• Применимые сценарии: обычные облачные вычисления, корпоративные центры обработки данных, проекты модернизации существующих мощностей и сценарии с плотностью мощности 15–30 кВт на стойку.

Иммерсионное жидкостное охлаждение

Иммерсионное жидкостное охлаждение полностью погружает сервер в изолирующий хладагент (например, минеральное масло или фторированную жидкость), обеспечивая отвод тепла со всей поверхности за счёт естественной конвекции или кипения жидкости. Хотя в настоящее время оно занимает лишь около 20% рынка, оно считается ключевым направлением для сценариев со сверхвысокой плотностью мощности благодаря своему экстремальному потенциалу отвода тепла.

• Ключевые преимущества: эффективность отвода тепла в 5 раз выше, чем у охлаждения с холодной пластиной; поддерживает плотность мощности 50–100 кВт на стойку, а PUE может достигать 1,03–1,05. Полностью исключает вентиляторы, снижая энергопотребление оборудования на 5–15% и избегая таких воздействий окружающей среды, как пыль и влажность.
• Тенденция затрат: с локализацией производства хладагентов и их крупномасштабным выпуском ожидается снижение затрат на 50% к 2030 году, а доля рынка, как ожидается, вырастет до 40%.
• Применимые сценарии: суперкомпьютерные центры, кластеры обучения ИИ, квантовые вычисления и другие сценарии со сверхвысокой плотностью мощности.

Ключевые сценарии применения системы жидкостного охлаждения

Система жидкостного охлаждения широко используется во множестве областей благодаря двойным требованиям высокой плотности мощности и энергосбережения. Ниже приведены ключевые сценарии применения:

Центры обработки данных

По мере того как плотность мощности стоек центров обработки данных стремительно растёт до 40 кВт и выше (в некоторых высококлассных стойках даже превышает 140 кВт), воздушное охлаждение уже не может удовлетворить потребности в отводе тепла. Жидкостное охлаждение становится обязательным выбором для новых центров обработки данных. Например, система жидкостного охлаждения с адиабатической сухой градирней от Thermax была применена в центре обработки данных в Пуне, Индия, обеспечив стабильный контроль температуры охлаждающей воды (46°C на входе / 35°C на выходе) и стабильную работу суперкомпьютеров, а также экономя 80% водных ресурсов.

Системы накопления энергии

Жидкостное охлаждение решает проблему отвода тепла систем накопления энергии при высокой плотности мощности. Оно позволяет контролировать перепад температур батарейных модулей в пределах ±3°C, увеличивая срок циклической службы до 15 000 циклов. В крупных сетевых накопителях энергии система иммерсионного жидкостного охлаждения, применённая в проекте накопления энергии Гунхэ в провинции Цинхай, достигает PUE 1,05 и ежегодно экономит 5 млн юаней на оплате электроэнергии. Мировой рынок жидкостного охлаждения для накопления энергии стремительно растёт: ожидается, что объём китайского рынка достигнет 23,63 млрд юаней в 2024 году и превысит 102 млрд юаней в 2027 году.

Быстрая зарядка электромобилей

Станции быстрой зарядки выделяют большое количество тепла за короткое время, что влияет на безопасность и срок службы аккумуляторов. Жидкостное охлаждение обеспечивает точное терморегулирование во время быстрой зарядки, повышая эффективность зарядки и здоровье батареи. Оно стало стандартной комплектацией станций быстрой зарядки высокой мощности.

Как выбрать подходящую систему жидкостного охлаждения?

При выборе системы жидкостного охлаждения предприятиям необходимо комплексно учитывать следующие факторы, чтобы достичь оптимального баланса между производительностью и затратами:

1. Требования к плотности мощности: выбирайте охлаждение с холодной пластиной для сценариев с плотностью мощности ниже 30 кВт на стойку; выбирайте иммерсионное охлаждение для сценариев выше 50 кВт на стойку.
2. Бюджет и затраты на модернизацию: для модернизации существующих центров обработки данных с ограниченным бюджетом охлаждение с холодной пластиной более экономически эффективно; для новых проектов высокоплотностных вычислений иммерсионное охлаждение может быть внедрено заранее, чтобы зарезервировать потенциал вычислительной мощности.
3. Возможности эксплуатации и обслуживания: охлаждение с холодной пластиной предъявляет более низкие требования к обслуживанию и совместимо с существующими системами эксплуатации и обслуживания; иммерсионное охлаждение требует профессиональных команд для управления хладагентом и обслуживания оборудования.
4. Политические и цели по снижению выбросов углерода: если предприятию необходимо получить сертификацию «зелёного» центра обработки данных или достичь целей углеродной нейтральности, иммерсионное охлаждение с более низким PUE в большей степени соответствует долгосрочным потребностям развития.

Рыночные тенденции и перспективы на будущее

Под воздействием строительства вычислительных мощностей ИИ и глобального энергетического перехода мировой рынок жидкостного охлаждения находится в периоде высокого роста. Ожидается, что объём рынка достигнет 12 млрд долларов США в 2025 году и 31,2 млрд долларов США в 2030 году, при этом совокупный годовой темп роста превысит 20%. Будущее развитие будет демонстрировать две основные тенденции:

• Параллельное развитие двух направлений: охлаждение с холодной пластиной останется основным в краткосрочной перспективе (2025–2030), тогда как иммерсионное охлаждение будет быстро расти в сценариях с высокой плотностью. Большинство ведущих предприятий будут придерживаться стратегии «крупномасштабное внедрение охлаждения с холодной пластиной + исследование передовых рубежей иммерсионного охлаждения».
• Ускоренная локализация и снижение затрат: такие ключевые компоненты, как отечественные хладагенты и насосы жидкостного охлаждения, постоянно ломают международные монополии. Стоимость отечественных хладагентов на 40% ниже импортных аналогов, что будет способствовать массовому распространению решений жидкостного охлаждения.

Итоговое резюме: система жидкостного охлаждения — это не просто замена традиционного воздушного охлаждения, а ключевая вспомогательная технология для развития высокоплотностных вычислений и устойчивой энергетики. По мере непрерывного созревания технологии и снижения затрат она будет широко применяться во всё большем числе областей. Предприятия, которые заранее внедряют технологию жидкостного охлаждения, получат значительные конкурентные преимущества в эпоху цифровой трансформации и энергетического перехода.